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Complejo de alfa-cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada

El complejo de la α-cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada ( complejo BCKDC o BCKDH ) es un complejo de múltiples subunidades de enzimas que se encuentra en la membrana interna mitocondrial . [1] Este complejo enzimático cataliza la descarboxilación oxidativa de alfa-cetoácidos de cadena corta y ramificada . BCKDC es un miembro de la familia del complejo de la 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 el 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 convirtiéndolos [3] en α-metilbutiril-CoA, isobutiril-CoA e isovaleril-CoA respectivamente. [4] [5] [6] En bacterias, esta enzima participa en la síntesis de ácidos grasos ramificados de cadena larga . [7] En plantas, esta enzima está involucrada en la síntesis de hidrocarburos ramificados de cadena larga .

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

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

Estructura

El mecanismo de catálisis enzimática por parte de la BCKDC se basa en gran medida en la elaborada estructura de este gran complejo enzimático, que 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] No covalentemente unidos 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 portador de lipoilo en la porción amino-terminal de la proteína y (ii) un dominio de núcleo interno en la porción carboxi-terminal . El dominio de núcleo interno está unido a los otros dos dominios de la subunidad E 2 por dos segmentos interdominio (enlazadores). [9] El dominio de núcleo interno es necesario para formar el núcleo oligomérico del complejo enzimático y cataliza la reacción de la aciltransferasa (mostrada en la sección "Mecanismo" a continuación). [10] El dominio lipoilo 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 enlaces mencionados anteriormente (ver Figura 2 ). [11] [12] Por lo tanto, en términos de función y estructura, el componente E 2 juega un papel central en la reacción general catalizada por el BCKDC.

Figura 2: Este es un esquema del dominio lipoilo "oscilante". Nótese que este dominio lipoilo está unido covalentemente a la subunidad E 2 de la BCKDC, pero es libre de oscilar 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 de la BCKDC juega un papel importante en la actividad catalítica de este complejo enzimático. [13]

La función de cada subunidad es la siguiente:

mi1subunidad

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

mi2subunidad

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

mi3subunidad

El componente E 3 es una flavoproteína y reoxida los residuos de azufre lipoílico 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 la BCKDC en los mamíferos es catalizar un paso irreversible en el catabolismo de los aminoácidos de cadena ramificada. Sin embargo, la BCKDC tiene una especificidad relativamente amplia, ya que también oxida el 4-metiltio-2-oxobutirato y el 2-oxobutirato a velocidades comparables y con valores de Km similares a los de sus sustratos de aminoácidos de cadena ramificada. [15] La BCKDC también oxidará el piruvato, pero a una velocidad tan lenta esta reacción secundaria tiene muy poca importancia fisiológica. [16] [17]

El mecanismo de reacción es el siguiente. [18] Tenga en cuenta que cualquiera de varios α-cetoácidos de cadena ramificada podrían 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 correcto de empuje de 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 lipoilo en E2. Nótese que el TPP se regenera. El mecanismo correcto de empuje de flechas 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 lipoilo en E2. Nótese que el TPP se regenera.
NOTA: El brazo lipoilo acilado ahora abandona E 1 y gira hacia el sitio activo E 2 , donde ocurre el paso 3.

PASO 3: Transferencia del grupo acilo a CoA. El mecanismo correcto de empuje de la flecha se muestra en la Figura 5 .

Figura 5: Transferencia del grupo acilo a CoA
*NOTA: El brazo de lipoilo reducido ahora gira hacia el sitio activo E3 , donde ocurren los pasos 4 y 5.

PASO 4: Oxidación de la fracción lipoilo por la coenzima FAD, como se muestra en la Figura 6 .

Figura 6: Oxidación de la fracción lipoilo por la coenzima FAD.

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

FADH 2 + NAD + → FAD + NADH + H +

Relevancia de la enfermedad

La deficiencia de cualquiera de las enzimas de este complejo, así como la inhibición del complejo en su conjunto, conducen a 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 la cera de los oídos y la orina), lo que conduce a una patología conocida como enfermedad de la orina con olor a 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 que ha resultado 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, lo que conduce a una deficiencia de la enzima deshidrogenasa de cetoácidos 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 de cadena ramificada (E1) en células linfoblastoides derivadas de pacientes con enfermedad de la orina con olor a jarabe de arce". J Clin Invest . 80 (1): 63–70. doi :10.1172/JCI113064. PMC  442202 . PMID  3597778.
  2. ^ Yeaman SJ (1989). "Los complejos de 2-oxoácidos deshidrogenasa: avances recientes". Biochem. J . 257 (3): 625–632. doi :10.1042/bj2570625. PMC 1135633 . PMID  2649080. 
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