La aminotransferasa de aminoácidos 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 codificada 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 de aminoácidos de cadena ramificada se encontró mediante difracción de rayos X con una resolución de 2,20 Å. La aminotransferasa de aminoácidos de cadena ramificada que se encuentra en esta imagen se aisló de micobacterias . Esta proteína está formada por dos cadenas polipeptídicas idénticas , con un total de 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 las BCAT.
En los seres humanos, las 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 humanas (hBCAT) 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 a través de 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, PLP está anclado al sitio activo de la enzima a través de enlaces de hidrógeno en los residuos Tyr 207 y Glu237. Además, los átomos de oxígeno de fosfato en la molécula de PLP interactúan con los residuos Arg99, Val269, Val270 y Thr310. [5] Las BCAT de mamíferos muestran un motivo estructural único CXXC (Cys315 y Cys318) sensible a los agentes oxidantes [7] y modulado a través de la S-nitrosación [8] , una modificación postraduccional que regula la señalización celular. [9] Se ha descubierto que la modificación de estos dos residuos de cisteína a través de la 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 solo en BCAT de mamíferos, se encontró que los residuos de aminoácidos circundantes estaban altamente conservados tanto en células procariotas como eucariotas. [12] Conway, Yeenawar et al. encontraron que el sitio activo de los mamíferos contiene tres superficies: superficie A (Phe75, Tyr207 y Thr240), superficie B (Phe30, Tyr141 y Ala314) y superficie C (Tyr70, Leu153 y Val155, ubicadas en el dominio opuesto) que se unen al sustrato en una interacción de tipo Van der Waals con las cadenas laterales ramificadas de los sustratos de aminoácidos. [12]
Las BCAT en mamíferos catalizan el primer paso en el metabolismo de aminoácidos de cadena ramificada, una transaminación reversible seguida por 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] Las 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 cadena ramificada citosólicas son las menos comunes de las dos isoformas, que se encuentran en el citoplasma de las células de mamíferos casi exclusivamente en todo el sistema nervioso. [15] Aunque las BCATc se expresan solo en unos pocos tejidos adultos, se expresan a un alto nivel durante la embriogénesis. [16] La isoforma citosólica tiene una tasa de recambio más alta, aproximadamente de 2 a 5 veces más rápida que la isoforma mitocondrial. [17] Se ha descubierto que la BCATc es más estable que la BCATm, con evidencia que sugiere 2 enlaces de sulfuro. La isoenzima citosólica no demuestra pérdida de actividad tras la titulación de un grupo tiol [17] La hBCATc demuestra un potencial redox más bajo (aproximadamente 30 mV) que la hBCATm. [11] La BCATc humana está codificada por BCAT1 [18]
Las aminotransferasas mitocondriales de cadena ramificada son las más ubicuas de las dos isoformas, presentes en todos los tejidos de las mitocondrias de la célula. [8] Se ha descubierto que el tejido acinar pancreático contiene los niveles más altos de BCATm en el cuerpo . [19] Además, se han encontrado dos homólogos de la BCATm normal. Un homólogo se encuentra en el tejido placentario y el otro correprime los receptores nucleares de la hormona tiroidea. [16] [20] La BCATm es más sensible al entorno redox de la célula y puede ser inhibida por iones de níquel incluso si el entorno es reductor. Se ha descubierto que la BCATm no forma enlaces disulfuro y la titulación de dos grupos -SH con 5,5'- ditiobis(2-ácido nitrobenzoico) elimina la actividad enzimática por completo en el caso de la isoenzima BCATm. [17] En los seres humanos, la BCATm está codificada por el gen BCAT2 . [21]
También se han identificado BCAT en plantas, pero varían entre especies en términos de número y secuencia. En estudios de Arabidopsis thaliana (berro de thale), se han identificado seis isoformas de BCAT que comparten entre 47,5-84,1% de homología entre sí. Estas isoformas también comparten alrededor del 30% de homología de secuencia con las isoformas humanas 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, estudios de BCAT en Solanum tuberosum (patata) revelaron dos isoformas que tienen 683 (BCAT1) y 746 (BCAT2) pb de longitud ubicadas principalmente en los cloroplastos. [24]
En las bacterias, solo 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, la BCAT de Lactococcus lactis es un homodímero similar a las isoformas de los mamíferos. Cada subunidad de la BCAT de L. lactis 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, las BCAT tienen muchas responsabilidades en la fisiología de los mamíferos. Se ha descubierto que las BCAT interactúan con las isomerasas de disulfuro de proteínas, 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 deshidrogenasa de cetoácidos de cadena ramificada) estimula la secreción de insulina. La pérdida de BCATm se correlaciona con una pérdida en 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 de 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]
Las BCAT también desempeñan un papel en la fisiología de las especies vegetales, pero no se han estudiado tan extensamente como las BCAT de los mamíferos. En Cucumis melo (melón), se ha descubierto que las 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), las BCAT desempeñan un papel en la síntesis de aminoácidos de cadena ramificada que actúan como donantes de electrones en la cadena de transporte de electrones. En general, las BCAT de las plantas tienen funciones reguladoras catabólicas y anabólicas. [30]
En la fisiología bacteriana, las 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 el crecimiento deben ser capaces de sintetizar aminoácidos de cadena ramificada para proliferar. [31] En Streptococcus mutans , la bacteria grampositiva que vive en las cavidades bucales humanas y es responsable de la caries dental, 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 a partir de la descomposición de los carbohidratos. [32]
Las BCAT se han utilizado en la síntesis de algunos fármacos farmacéuticos como alternativa a los catalizadores de metales pesados, que pueden ser costosos y perjudiciales para el medio ambiente. Las aminotransferasas (transaminasas) en general se han utilizado para crear aminoácidos artificiales, componentes básicos importantes para fármacos peptidomiméticos y productos agrícolas. La BCAT de E. coli suele estar diseñada 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 una alta regioselectividad y enantioselectividad. [34] En la química orgánica sintética, las 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, incluyendo 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 bacteria principal responsable de la maduración de los quesos, y las enzimas dentro de las bacterias juegan un papel 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 malteados 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 de azufre volátiles 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. Las BCAT de estas dos bacterias realizan transaminaciones durante la fermentación de la carne, produciendo los α-cetoácidos correspondientes 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 aromas y sabores distintivos de las carnes curadas. [42]
Un estudio de BCAT de Lactococcus lactis realizado por Yvon, Chambellon et al., encontró las condiciones ideales para la isoenzima bacteriana de la siguiente manera:
