La aminoácido aminotransferasa de cadena ramificada ( BCAT ), también conocida como transaminasa de aminoácidos de cadena ramificada , es una enzima aminotransferasa ( EC 2.6.1.42) que actúa sobre los aminoácidos de cadena ramificada (BCAA). Está codificado por el gen BCAT2 en humanos. La enzima BCAT cataliza la conversión de BCAA y α-cetoglutarato en α-cetoácidos de cadena ramificada y glutamato .
La estructura a la derecha de la aminotransferasa del aminoácido de cadena ramificada se encontró mediante difracción de rayos X con una resolución de 2,20 Å. El aminoácido aminotransferasa de cadena ramificada que se encuentra en esta imagen se aisló de micobacterias . Esta proteína está formada por dos cadenas polipeptídicas idénticas , que suman 372 residuos. [2]
La función biológica de las aminotransferasas de aminoácidos de cadena ramificada es catalizar la síntesis o degradación de los aminoácidos de cadena ramificada leucina , isoleucina y valina . [3] En los seres humanos, los aminoácidos de cadena ramificada son esenciales y son degradados por los BCAT.
En humanos, los BCAT son homodímeros compuestos por dos dominios, una subunidad pequeña (residuos 1-170) y una subunidad grande (residuos 182-365). Estas subunidades están conectadas por una región de conexión corta y en bucle (residuos 171-181). [4] Ambas subunidades constan de cuatro hélices alfa y una lámina plegada beta . [5] Los estudios estructurales de las aminotransferasas de aminoácidos de cadena ramificada (hBCAT) humanas revelaron que los enlaces peptídicos en ambas isoformas son todos trans excepto el enlace entre los residuos Gly338-Pro339. [5] El sitio activo de la enzima se encuentra en la interfaz entre los dos dominios. [5] Al igual que otras enzimas transaminasas (así como muchas enzimas de otras clases), las BCAT requieren el cofactor piridoxal-5'-fosfato (PLP) para su actividad. Se ha descubierto que el PLP cambia la conformación de las enzimas aminotransferasas, bloqueando la conformación de la enzima mediante un enlace de base de Schiff (imina) en una reacción entre un residuo de lisina de la enzima y el grupo carbonilo del cofactor. [6] Este cambio conformacional permite que los sustratos se unan al bolsillo del sitio activo de las enzimas.
Además del enlace de base de Schiff, el PLP está anclado al sitio activo de la enzima mediante enlaces de hidrógeno en los residuos Tyr 207 y Glu237. Además, los átomos de oxígeno de fosfato de la molécula de PLP interactúan con los residuos Arg99, Val269, Val270 y Thr310. [5] Los BCAT de mamíferos muestran un motivo estructural CXXC único (Cys315 y Cys318) sensible a agentes oxidantes [7] y modulado mediante S-nitrosación, [8] una modificación postraduccional que regula la señalización celular. [9] Se ha descubierto que la modificación de estos dos residuos de cisteína mediante oxidación (in vivo/vitro) o titulación (in vitro) inhibe la actividad enzimática, [4] lo que indica que el motivo CXXC es crucial para el plegamiento y la función óptimos de las proteínas. [10] La sensibilidad de ambas isoenzimas a la oxidación las convierte en biomarcadores potenciales para el entorno redox dentro de la célula. [11] Aunque el motivo CXXC está presente sólo en BCAT de mamíferos, se encontró que los residuos de aminoácidos circundantes estaban altamente conservados tanto en células procariotas como en eucariotas. [12] Conway, Yeenawar et al. descubrió que el sitio activo de los mamíferos contiene tres superficies: la superficie A (Phe75, Tyr207 y Thr240), la superficie B (Phe30, Tyr141 y Ala314) y la superficie C (Tyr70, Leu153 y Val155, ubicadas en el dominio opuesto) que se unen a el sustrato en una interacción tipo Van der Waals con las cadenas laterales ramificadas de los sustratos de aminoácidos. [12]
Los BCAT en mamíferos catalizan el primer paso en el metabolismo de los aminoácidos de cadena ramificada, una transaminación reversible seguida de la descarboxilación oxidativa de los productos de transaminación α-cetoisocaproato, α-ceto-β-metilvalerato y α-cetoisovalerato a isovaleril-CoA, 3- metilbutiril-CoA e isobutiril-CoA, respectivamente. [13] Esta reacción regula el metabolismo de los aminoácidos y es un paso crucial en el transporte de nitrógeno por todo el cuerpo. [14] Los aminoácidos de cadena ramificada (BCAA) son omnipresentes en muchos organismos y comprenden el 35% de todas las proteínas y el 40% de los aminoácidos necesarios en todos los mamíferos. [13] Los BCAT de mamíferos vienen en dos isoformas: citosólica (BCATc) y mitocondrial (BCATm). Las isoformas comparten un 58% de homología, [15] pero varían en ubicación y eficiencia catalítica.
Las aminotransferasas de aminoácidos de cadena ramificada citosólica son las menos comunes de las dos isoformas y se encuentran en el citoplasma de las células de mamíferos casi exclusivamente en todo el sistema nervioso. [15] Aunque BCATc se expresan sólo en unos pocos tejidos adultos, se expresan en un alto nivel durante la embriogénesis. [16] La isoforma citosólica tiene una tasa de renovación más alta, aproximadamente 2 a 5 veces más rápida que la isoforma mitocondrial. [17] Se ha descubierto que BCATc es más estable que BCATm, y la evidencia sugiere 2 enlaces de sulfuro. La isoenzima citosólica no demuestra pérdida de actividad tras la titulación de un grupo tiol [17] hBCATc demuestra un potencial redox más bajo (aproximadamente 30 mV) que hBCATm. [11] La BCATc humana está codificada por BCAT1 [18]
Las aminotransferasas de aminoácidos de cadena ramificada mitocondriales son las más ubicuas de las dos isoformas y están presentes en todos los tejidos de las mitocondrias de la célula. [8] Se ha descubierto que el tejido acinar pancreático transporta los niveles más altos de BCATm en el cuerpo. [19] Además, se han encontrado dos homólogos del BCATm normal. Un homólogo se encuentra en el tejido placentario y el otro co-reprime los receptores nucleares de la hormona tiroidea. [16] [20] BCATm es más sensible al entorno redox de la célula y puede ser inhibido por iones de níquel incluso si el entorno es reductor. Se ha descubierto que BCATm no forma enlaces disulfuro y la valoración de dos grupos -SH con 5,5'-ditiobis(ácido 2-nitrobenzoico) elimina completamente la actividad enzimática en el caso de la isoenzima BCATm. [17] En humanos, BCATm está codificado por el gen BCAT2 . [21]
También se han identificado BCAT de plantas, pero varían entre especies en términos de número y secuencia. En estudios de Arabidopsis thaliana (thale berro), se han identificado seis isoformas de BCAT que comparten entre un 47,5 y un 84,1% de homología entre sí. Estas isoformas también comparten alrededor del 30% de homología de secuencia con las isoformas humana y de levadura ( Saccharomyces cerevisiae) . [22] BCAT1 se encuentra en las mitocondrias, BCAT2, 3 y 5 se encuentran en los cloroplastos, y BCAT4 y 6 se encuentran en el citoplasma de A. thaliana . [23] Sin embargo, los estudios de BCAT en Solanum tuberosum (papa) revelaron dos isoformas que tienen 683 (BCAT1) y 746 (BCAT2) pb de largo ubicadas principalmente en los cloroplastos. [24]
En las bacterias, sólo existe una isoforma de la enzima BCAT. Sin embargo, la estructura de la enzima es diferente entre organismos. En Escherichia coli , la enzima es un hexámero que contiene seis subunidades idénticas. Cada subunidad tiene un peso molecular de 34 kDa y está compuesta por 308 aminoácidos. [25] Por el contrario, Lactococcus lactis BCAT es un homodímero similar a las isoformas de los mamíferos. Cada subunidad de L. lactis BCAT está compuesta por 340 aminoácidos para un peso molecular de 38 kDa. [26]
Debido a que los aminoácidos de cadena ramificada son cruciales en la formación y función de muchas proteínas, los BCAT tienen muchas responsabilidades en la fisiología de los mamíferos. Se ha descubierto que los BCAT interactúan con las proteínas disulfuro isomerasas, una clase de enzimas que regulan la reparación celular y el plegamiento adecuado de las proteínas. [10] El segundo paso del metabolismo de los aminoácidos de cadena ramificada (carboxilación oxidativa por la cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada) estimula la secreción de insulina. La pérdida de BCATm se correlaciona con una pérdida de la secreción de insulina estimulada por BCKD, pero no se ha asociado con pérdidas en la secreción de insulina de otras vías metabólicas. [19] BCATc regula la señalización de mTORC1 y las vías del metabolismo glucolítico inducidas por TCR durante la activación de las células T CD4 + . [27] En el cerebro, BCATc regula la cantidad de producción de glutamato para su uso como neurotransmisor o para la futura síntesis de ácido γ-aminobutírico (GABA). [28]
Los BCAT también desempeñan un papel en la fisiología de las especies de plantas, pero no se han estudiado tan exhaustivamente como los BCAT de los mamíferos. En Cucumis melo (melón), se ha descubierto que los BCAT desempeñan un papel en el desarrollo de compuestos aromáticos volátiles que dan a los melones su aroma y sabor distintivos. [29] En Solanum lycopersicum (tomates), los BCAT desempeñan un papel en la síntesis de aminoácidos de cadena ramificada que actúan como donadores de electrones en la cadena de transporte de electrones. En general, los BCAT vegetales tienen funciones reguladoras catabólicas y anabólicas. [30]
En fisiología bacteriana, los BCAT realizan ambas reacciones, formando tanto α-cetoácidos como aminoácidos de cadena ramificada. Las bacterias que crecen en un medio que carece de las proporciones adecuadas de aminoácidos para su crecimiento deben poder sintetizar aminoácidos de cadena ramificada para poder proliferar. [31] En Streptococcus mutans , la bacteria grampositiva que vive en las cavidades bucales humanas y es responsable de las caries, se ha descubierto que la biosíntesis/degradación de aminoácidos regula la glucólisis y mantiene el pH interno de la célula. Esto permite que las bacterias sobrevivan en las condiciones ácidas de la cavidad bucal humana debido a la descomposición de los carbohidratos. [32]
Los BCAT se han utilizado en la síntesis de algunos fármacos como alternativa a los catalizadores de metales pesados, que pueden resultar costosos y perjudiciales para el medio ambiente. Las aminotransferasas (transaminasas) en general se han utilizado para crear aminoácidos no naturales, componentes importantes de fármacos peptidomiméticos y productos agrícolas. La BCAT de E. coli generalmente se diseña para sobreexpresarse y extraerse de células enteras para su uso en síntesis química. [33] Las aminotransferasas se utilizan porque pueden lograr una reacción típicamente de varios pasos en un solo paso, pueden realizar reacciones en una amplia gama de sustratos y tienen alta regioselectividad y enantioselectividad. [34] En química orgánica sintética, los BCAT se utilizan normalmente para la conversión de L-leucina en 2-cetoglutarato.
El anticonvulsivo gabapentina [Neurontin; Ácido 1-(aminometil)ciclohexanoacético] es un fármaco que se utiliza a menudo para tratar a pacientes con dolor neuropático. [35] [36] [37] Este dolor neuropático puede ser causado por varias cosas, incluida la neuropatía diabética y la neuralgia posherpética. [38] La gabapentina es un fármaco aminoácido estructuralmente similar a los dos neurotransmisores glutamato (sintetizado por BCAT) y GABA. El fármaco inhibe competitivamente ambas isoformas de BCAT en el cerebro, lo que ralentiza la producción de glutamato. [39] La gabapentina también inhibe la GABA aminotransferasa (GABA-T) y la glutamato deshidrogenasa (GDH), otras dos enzimas en la vía metabólica del glutamato y el GABA.
La bacteria L. lactis es la principal bacteria responsable de la maduración de los quesos, y las enzimas dentro de la bacteria desempeñan funciones clave en el desarrollo de los perfiles de sabor, textura y aroma. [40] Las aminotransferasas de aminoácidos de cadena ramificada ayudan a producir compuestos como ácido isovalérico, ácido isobutírico, 2 y 3-metilbutan(al)(ol) y 2-metilpropan(al)(ol) que imparten aromas afrutados o maltosos dependiendo de la cantidad de compuesto presente. [41] Junto con las aminotransferasas aromáticas (AraT), las BCAT en L. lactis ayudan a desarrollar el aroma/sabor resultante de los compuestos volátiles de azufre producidos durante la fermentación.
Las bacterias Staphylococcus carnosus y Enterococcus faecalis se utilizan a menudo junto con otras bacterias del ácido láctico para iniciar el proceso de fermentación de la carne. Los BCAT en estas dos bacterias realizan transaminaciones durante la fermentación de la carne, produciendo los correspondientes α-cetoácidos a partir de aminoácidos. A medida que avanza la fermentación, estos α-cetoácidos se degradan en una clase de compuestos conocidos como volátiles ramificados con metilo que incluyen aldehídos, alcoholes y ácidos carboxílicos, todos los cuales contribuyen a los distintos aromas y sabores de las carnes curadas. [42]
Un estudio de BCAT de Lactococcus lactis realizado por Yvon, Chambellon et al., encontró las condiciones ideales para la isozima bacteriana de la siguiente manera:
