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Complejo alfa-cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada

El complejo α-cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada ( complejo BCKDC o BCKDH ) es un complejo de enzimas de múltiples subunidades que se encuentra en la membrana interna mitocondrial . [1] Este complejo enzimático cataliza la descarboxilación oxidativa de alfa-cetoácidos ramificados de cadena corta . BCKDC es miembro de la familia del complejo α-cetoácido deshidrogenasa mitocondrial, que también incluye la piruvato deshidrogenasa y la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa , enzimas clave que funcionan en el ciclo de Krebs .

función biológica

En tejido animal, BCKDC cataliza un paso irreversible [2] en el catabolismo de los aminoácidos de cadena ramificada L-isoleucina , L-valina y L-leucina , actuando sobre sus derivados desaminados (L-alfa-ceto-beta-metilvalerato , alfa-cetoisovalerato y alfa-cetoisocaproato , respectivamente) y convertirlos [3] en α-metilbutiril-CoA, isobutiril-CoA e isovaleril-CoA respectivamente. [4] [5] [6] En las bacterias, esta enzima participa en la síntesis de ácidos grasos ramificados de cadena larga . [7] En las plantas, esta enzima participa en la síntesis de hidrocarburos ramificados de cadena larga .

En la Figura 1 se muestra la reacción catabólica general catalizada por el BCKDC .

Figura 1: Esta es la reacción general catalizada por el complejo alfa-cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada.

Estructura

El mecanismo de catálisis enzimática del BCKDC se basa en gran medida en la elaborada estructura de este gran complejo enzimático. Este complejo enzimático está compuesto por tres componentes catalíticos:

En los seres humanos, 24 copias de E 2 dispuestas en simetría octaédrica forman el núcleo del BCKDC. [8] Unidos de forma no covalente a este polímero de 24 subunidades E 2 hay 12 tetrámeros E 1 α2β2 y 6 homodímeros E 3 . Además del dominio de unión E 1 /E 3 , hay otros 2 dominios estructurales importantes en la subunidad E 2 : (i) un dominio que contiene lipoílo en la porción amino terminal de la proteína y (ii) un dominio interno. dominio central en la porción carboxi-terminal . El dominio del núcleo interno está vinculado a los otros dos dominios de la subunidad E 2 mediante dos segmentos entre dominios (enlazadores). [9] El dominio del núcleo interno es necesario para formar el núcleo oligomérico del complejo enzimático y cataliza la reacción de la aciltransferasa (que se muestra en la sección "Mecanismo" a continuación). [10] El dominio lipoílo de E 2 es libre de oscilar entre los sitios activos de las subunidades E 1 , E 2 y E 3 en el BCKDC ensamblado en virtud de la flexibilidad conformacional de los conectores antes mencionados (ver Figura 2 ). [11] [12] Por lo tanto, en términos de función y estructura, el componente E 2 desempeña un papel central en la reacción general catalizada por el BCKDC.

Figura 2: Este es un esquema del dominio lipoilo "oscilante". Tenga en cuenta que este dominio lipoilo está unido covalentemente a la subunidad E 2 del BCKDC, pero puede oscilar libremente entre las subunidades E 1 , E 2 y E 3 . Como se describe en la sección "Mecanismo", la capacidad del grupo lipoilo de oscilar libremente entre los sitios activos en cada una de las tres subunidades del BCKDC juega un papel importante en la actividad catalítica de este complejo enzimático. [13]

La función de cada subunidad es la siguiente:

subunidad E 1

E 1 utiliza pirofosfato de tiamina (TPP) como cofactor catalítico. E 1 cataliza tanto la descarboxilación del α-cetoácido como la posterior acilación reductora del resto lipoilo (otro cofactor catalítico) que está unido covalentemente a E 2 .

subunidad E 2

E 2 cataliza una transferencia del grupo acilo del resto lipoílo a la coenzima A (un cofactor estequiométrico). [14]

subunidad E 3

El componente E 3 es una flavoproteína y reoxida los residuos de lipoilo azufre reducidos de E 2 utilizando FAD (un cofactor catalítico) como oxidante. Luego, FAD transfiere estos protones y electrones a NAD+ (un cofactor estequiométrico) para completar el ciclo de reacción.

Mecanismo

Como se mencionó anteriormente, la función principal de BCKDC en mamíferos es catalizar un paso irreversible en el catabolismo de los aminoácidos de cadena ramificada. Sin embargo, BCKDC tiene una especificidad relativamente amplia, y también oxida 4-metiltio-2-oxobutirato y 2-oxobutirato a velocidades comparables y con valores de Km similares a los de sus sustratos de aminoácidos de cadena ramificada. [15] El BCKDC también oxidará el piruvato, pero a un ritmo tan lento esta reacción secundaria tiene muy poca importancia fisiológica. [16] [17]

El mecanismo de reacción es el siguiente. [18] Tenga en cuenta que cualquiera de los varios α-cetoácidos de cadena ramificada podría haberse utilizado como material de partida; para este ejemplo, se eligió arbitrariamente α-cetoisovalerato como sustrato de BCKDC.

NOTA: Los pasos 1 y 2 ocurren en el dominio E 1

PASO 1: el α-cetoisovalerato se combina con TPP y luego se descarboxila. El mecanismo adecuado para empujar la flecha se muestra en la Figura 3 .

Figura 3: el α-cetoisovalerato se combina con TPP y luego se descarboxila

PASO 2: El 2-metilpropanol-TPP se oxida para formar un grupo acilo mientras se transfiere simultáneamente al cofactor lipoílo en E2. Tenga en cuenta que el TPP se regenera. El mecanismo adecuado para empujar la flecha se muestra en la Figura 4 .

Figura 4: El 2-metilpropanol-TPP se oxida para formar un grupo acilo mientras se transfiere simultáneamente al cofactor lipoílo en E2. Tenga en cuenta que el TPP se regenera.
NOTA: El brazo de lipoilo acilado ahora deja E 1 y oscila hacia el sitio activo E 2 , donde ocurre el paso 3.

PASO 3: Transferencia del grupo acilo a CoA. El mecanismo adecuado para empujar la flecha se muestra en la Figura 5 .

Figura 5: Transferencia del grupo acilo a CoA
*NOTA: El brazo de lipoilo reducido ahora oscila hacia el sitio activo E 3 , donde ocurren los pasos 4 y 5.

PASO 4: Oxidación del resto lipoílo por la coenzima FAD, como se muestra en la Figura 6 .

Figura 6: Oxidación del resto lipoílo por la coenzima FAD.

PASO 5: Reoxidación de FADH 2 a FAD, produciendo NADH:

FADH 2 + NAD + → FAD + NADH + H +

Relevancia de la enfermedad

Una deficiencia de cualquiera de las enzimas de este complejo, así como una inhibición del complejo en su conjunto, provocan una acumulación de aminoácidos de cadena ramificada y sus derivados nocivos en el organismo. Estas acumulaciones confieren un olor dulce a las excreciones corporales (como el cerumen y la orina), lo que lleva a una patología conocida como enfermedad de la orina con jarabe de arce . [19]

Esta enzima es un autoantígeno reconocido en la cirrosis biliar primaria , una forma de insuficiencia hepática aguda. Estos anticuerpos parecen reconocer la proteína oxidada resultante de respuestas inmunitarias inflamatorias. Algunas de estas respuestas inflamatorias se explican por la sensibilidad al gluten . [20] Otros autoantígenos mitocondriales incluyen la piruvato deshidrogenasa y la oxoglutarato deshidrogenasa de cadena ramificada , que son antígenos reconocidos por anticuerpos antimitocondriales .

Las mutaciones del gen BCKDK , cuyo producto proteico controla la actividad del complejo, pueden provocar una sobreactivación del complejo y un catabolismo excesivo de los tres aminoácidos. Esto conduce a una deficiencia de cetoácido deshidrogenasa quinasa de cadena ramificada , una enfermedad rara descrita por primera vez en humanos en 2012. [21]

Referencias

  1. ^ Indo I, Kitano A, Endo F, Akaboshi I, Matsuda I (1987). "Propiedades cinéticas alteradas del complejo alfa-cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada debido a la mutación de la subunidad beta del componente alfa-cetoácido descarboxilasa (E1) de cadena ramificada en células linfoblastoides derivadas de pacientes con enfermedad de la orina con jarabe de arce". J Clin invertir . 80 (1): 63–70. doi :10.1172/JCI113064. PMC  442202 . PMID  3597778.
  2. ^ Yeaman SJ (1989). "Los complejos de 2-oxoácido deshidrogenasa: avances recientes". Bioquímica. J.​ 257 (3): 625–632. doi :10.1042/bj2570625. PMC 1135633 . PMID  2649080. 
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enlaces externos