Дегидрогеназный комплекс разветвлённых α-кетокислот

Дегидрогеназный комплекс разветвлённых α-кетокислот, также дегидрогеназа α-кетокислот с разветвлённой цепью (англ. Branched-chain α-ketoacid dehydrogenase complex, сокр. BCKDC или BCKDH комплекс) — мультиферментный комплекс, локализованный на внутренней мембране митохондрий[1]. Данный комплекс катализирует реакцию окислительного декарбоксилирования разветвлённых α-кетокислот с короткой углеродной цепью. Дегидрогеназный комплекс структурно аналогичен пируватдегидрогеназному и α-кетоглутаратдегидрогеназному комплексам, образуя вместе с ними семейство митохондриальных ферментов, участвующих в окислительном декарбоксилировании α-кетокислот.

Функции

Общая реакция, катализируемая дегидрогеназным комплексом альфа-кетокислот с разветвлённой цепью. Буквой R обозначены радикалы, соответствующих разветвлённых аминокислот.

В тканях животных и человека данный комплекс катализирует необратимую стадию[2] деградации аминокислот с разветвлённой цепью (BCAA) — L-изолейцина, L-валина и L-лейцина, воздействуя на их дезаминированные производные (L-2-кето-3-метилвалерат, 2-кетоизовалерат и 2-кетоизокапроат соответственно), и превращая их в КоА-эфиры: α-метилбутирил-КоА, изобутирил-КоА и изовалерил-КоА соответственно[3] [4][5][6]. У бактерий этот ферментный комплекс участвует в синтезе разветвлённых длинноцепочечных жирных кислот[7]. У растений он участвует в синтезе разветвлённых длинноцепочечных углеводородов.

Структура

Данный комплекс состоит из трёх ферментных субъединиц (E1, E2 и Е3). Они используют в катализе следующие коферменты: тиаминпирофосфат, липоат, кофермент А, FAD (простетическая группа) и NAD+.

  Ферменты     Сокращение    

Коферменты  

  3-Метил-2-оксобутаноат дегидрогеназа
  Шаблон:N° EC : décarboxylase 		E1   Тиаминпирофосфат
  (TПФ)
  Дигидролипоилтрансацилаза
  Шаблон:N° EC : acyltransférase 		E2   Липоамид / Дигидролипоамид
  Кофермент A (CoA-SH)
  Дигидролипоилдегидрогеназа
  Шаблон:N° EC : oxydo-réductase 		E3   Флавинадениндинуклеотид (FAD)
  Никотинамидадениндинуклеотид (NAD+)  

Субъединица Е1

Субъединица Е1 — 3-метил-2-оксобутаноат дегидрогеназа или дегидрогеназа разветвлённых α-кетокислот (КФ 1.2.4.4) использует в качестве кофермента тиаминпирофосфат (ТПФ). E1 катализирует как декарбоксилирование α-кетокислоты, так и последующее восстановительное ацилирование липоильной части (другого каталитического кофактора), ковалентно связанной с E2.

Субъединица Е2

Субъединица Е2 (КФ 2.3.1.168) — дегидролипоилтрансацилаза, катализирует перенос ацильной группы от липоильной на молекулу кофермента A (стехиометрический кофактор)[8].

Субъединица Е3

Субъединица Е3 или дегидролипоилдегидрогеназа (КФ 1.8.1.4) — представляет собой флавопротеин, и он повторно окисляет восстановленные липоилсерные остатки E2 с использованием FAD (каталитический кофактор) в качестве окислителя. Затем FAD передаёт протоны и электроны на NAD+ (стехиометрический кофактор) для завершения цикла реакции.

Механизм катализа

Как упоминалось ранее, основная функция дегидрогеназного комплекса у млекопитающих заключается в катализе необратимого этапа катаболизма аминокислот с разветвлённой цепью. Однако BCKDC имеет относительно широкую специфичность, также окисляя 4-метилтио-2-оксобутират и 2-оксобутират со сравнимыми скоростями и с аналогичными значениями Km, что и для его аминокислотных субстратов с разветвлённой цепью[9]. BCKDC также будет окислять пируват, но при такой медленной скорости эта побочная реакция имеет очень малое физиологическое значение[10][11].

Механизм реакции следующий[12]. Обратите внимание на то, что любая из нескольких α-кетокислот с разветвлённой цепью может быть использована в качестве исходного вещества; в этом примере α-кетоизовалерат был произвольно выбран в качестве субстрата дегидрогеназного комплекса.

ПРИМЕЧАНИЕ. Стадии 1 и 2 протекают в домене E1.

Стадия 1: α-кетоизовалерат объединяется с тиаминпирофосфатом (ТПФ) и затем декарбоксилируется.

Присоединение α-кетоизовалерата к ТПФ и последующее декарбоксилирование.

Стадия 2: 2-метилтилпропанол-TПФ окисляется с образованием ацильной группы при одновременном переносе её на липоильный кофактор субъединицы E2. Обратите внимание, что TПФ регенерируется.

Одновременный процесс окисления 2-метилпропанол-ТПФ, с образованием ацильного остатка и его перенос на липоат Также происходит регенерация ТПФ.

ПРИМЕЧАНИЕ: Ацилированное липоильное плечо теперь покидает E1 и переходит на активный сайт E2, где происходит стадия 3.

Стадия 3: На субъединице Е2 происходит перенос ацильной группы на молекулу кофермента А.

Перенос ацильной группы на КоА.

ПРИМЕЧАНИЕ: уменьшенное липоильное плечо теперь переходит на субъединицу E3, где происходят стадии 4 и 5.

Стадия 4: Окисление липоильной части коферментом FAD, как показано на рисунке.

Окисление липоильного фрагмента коферментом FAD.

Стадия 5: Реокисление молекул FADH2 до FAD с образованием NADH:

FADH2 + NAD+ = FAD + NADH•Н

Заболевания, связанные с дефектами комплекса

Дефицит любого из ферментов этого комплекса, а также ингибирование комплекса в целом приводит к накоплению в организме аминокислот с разветвлённой цепью и их производных, в частности кетокислот, которые приводят к патологии, известной как болезнь кленового сиропа или лейциноз. Кетокислоты придают специфический сладкий запах (схожий с карамелью или жжённым сахаром) выделениям организма (таким как ушная сера и моча), откуда и следует название заболевания[13]. Болезнь наследуется по аутосомно-рецессивному типу и относится к так называемым орфанным (редким) заболеваниям.

Данный ферментный комплекс является аутоантигеном (собственный антиген, который приобрёл чужеродную специфичность), распознаваемым при первичном билиарном циррозе, острой форме печеночной недостаточности. Антитела, по-видимому, распознают окисленный белок, возникший в результате воспалительных иммунных реакций. Некоторые из этих воспалительных реакций объясняются чувствительностью к глютену[14]. Другие митохондриальные аутоантигены включают пируватдегидрогеназу и оксоглутаратдегидрогеназу с разветвлённой цепью, которые являются антигенами, распознаваемыми антимитохондриальными антителами (AMA).

Мутации гена BCKDK, продукт которого в норме регулирует работу комплекса, могут вызывать его повышенную активность, приводящую к недостаточности аминокислот с разветвлённой цепью. Заболевание было впервые описано в 2012 году под названием «недостаточность киназы дегидрогеназы кетокислот с разветвлённой цепью».[15] У пациентов отмечается задержка развития, симптомы аутизма, развиваются эпилептические приступы.

Примечания

  1. ↑ Indo I, Kitano A, Endo F, Akaboshi I, Matsuda I (1987). "Altered Kinetic Properties of the Branched-Chain Alpha-Keto Acid Dehydrogenase Complex Due to Mutation of the Beta-Subunit of the Branched-Chain Alpha-Keto Acid Decarboxylase (E1) Component in Lymphoblastoid Cells Derived from Patients with Maple Syrup Urine Disease". J Clin Invest. 80 (1): 63—70. doi:10.1172/JCI113064. PMC 442202. PMID 3597778.
  2. ↑ Yeaman SJ (1989). "The 2-oxo acid dehydrogenase complexes: recent advances". Biochem. J. 257 (3): 625—632. doi:10.1042/bj2570625. PMC 1135633. PMID 2649080.
  3. ↑ Rodwell, Vector. 29 // Harper's illustrated biochemistry. — USA : McGraw Hill, 2015. — P. 310. — ISBN 978-0-07-182537-5.
  4. ↑ Broquist HP, Trupin JS (1966). "Amino Acid Metabolism". Annual Review of Biochemistry. 35: 231—247. doi:10.1146/annurev.bi.35.070166.001311.
  5. ↑ Harris RA, Paxton R, Powell SM, Goodwin GW, Kuntz MJ, Han AC (1986). "Regulation of branched-chain alpha-ketoacid dehydrogenase complex by covalent modification". Adv Enzyme Regul. 25: 219—237. doi:10.1016/0065-2571(86)90016-6. PMID 3028049.
  6. ↑ Namba Y, Yoshizawa K, Ejima A, Hayashi T, Kaneda T (1969). "Coenzyme A- and nicotinamide adenine dinucleotide-dependent branched chain alpha-keto acid dehydrogenase. I. Purification and properties of the enzyme from Bacillus subtilis". J Biol Chem. 244 (16): 4437—4447. doi:10.1016/S0021-9258(18)94337-1. PMID 4308861.
  7. ↑ Lennarz WJ; et al. (1961). "The role of isoleucine in the biosynthesis of branched-chain fatty acids by micrococcus lysodeikticus". Biochemical and Biophysical Research Communications. 6 (2): 1112—116. doi:10.1016/0006-291X(61)90395-3. PMID 14463994.
  8. ↑ Heffelfinger SC, Sewell ET, Danner DJ (1983). "Identification of specific subunits of highly purified bovine liver branched-chain ketoacid dehydrogenase". Biochemistry. 22 (24): 5519—5522. doi:10.1021/bi00293a011. PMID 6652074.
  9. ↑ Jones SM, Yeaman SJ (1986). "Oxidative decarboxylation of 4-methylthio-2-oxobutyrate by branched-chain 2-oxo acid dehydrogenase complex". Biochemical Journal. 237 (2): 621—623. doi:10.1042/bj2370621. PMC 1147032. PMID 3800905.
  10. ↑ Pettit FH, Yeaman SJ, Reed LJ (1978). "Purification and characterization of branched chain alpha-keto acid dehydrogenase complex of bovine kidney". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 75 (10): 4881—4885. doi:10.1073/pnas.75.10.4881. PMC 336225. PMID 283398.
  11. ↑ Damuni Z, Merryfield ML, Humphreys JS, Reed LJ (1984). "Purification and properties of branched-chain alpha-keto acid dehydrogenase phosphatase from bovine kidney". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 81 (14): 4335—4338. doi:10.1073/pnas.81.14.4335. PMC 345583. PMID 6589597.
  12. ↑ Berg, Jeremy M., John L. Tymoczko, Lubert Stryer, and Lubert Stryer. Biochemistry. 6th ed. New York: W.H. Freeman, 2007. 478-79. Print.
  13. ↑ Podebrad F, Heil M, Reichert S, Mosandl A, Sewell AC, Böhles H (April 1999). "4,5-dimethyl-3-hydroxy-25H-furanone (sotolone)--the odour of maple syrup urine disease". Journal of Inherited Metabolic Disease. 22 (2): 107—114. doi:10.1023/A:1005433516026. PMID 10234605. S2CID 6426166.
  14. ↑ Leung PS, Rossaro L, Davis PA, et al. (2007). "Antimitochondrial antibodies in acute liver failure: Implications for primary biliary cirrhosis". Hepatology. 46 (5): 1436—42. doi:10.1002/hep.21828. PMC 3731127. PMID 17657817.
  15. ↑ Novarino G, El-Fishawy P, Kayserili H, Meguid NA, Scott EM, Schroth J, Silhavy JL, Kara M, Khalil RO, Ben-Omran T, Ercan-Sencicek AG, Hashish AF, Sanders SJ, Gupta AR, Hashem HS, Matern D, Gabriel S, Sweetman L, Rahimi Y, Harris RA, State MW, Gleeson JG (October 2012). "Mutations in BCKD-kinase lead to a potentially treatable form of autism with epilepsy". Science (New York, N.Y.). 338 (6105): 394—7. doi:10.1126/science.1224631. PMC 3704165. PMID 22956686.