La transcetolasa (abreviada como TK ) es una enzima que, en humanos, está codificada por el gen TKT . [1] Participa tanto en la vía de las pentosas fosfato en todos los organismos como en el ciclo de Calvin de la fotosíntesis . La transcetolasa cataliza dos reacciones importantes, que operan en direcciones opuestas en estas dos vías. En la primera reacción de la vía de las pentosas fosfato no oxidativas, el cofactor tiamina difosfato acepta un fragmento de 2 carbonos de una cetosa de 5 carbonos ( D-xilulosa-5-P ), luego transfiere este fragmento a una aldosa de 5 carbonos ( D-ribosa-5-P ) para formar una cetosa de 7 carbonos ( sedoheptulosa-7-P ). La abstracción de dos carbonos de la D-xilulosa-5-P produce la aldosa gliceraldehído-3-P de 3 carbonos . En el ciclo de Calvin, la transcetolasa cataliza la reacción inversa, la conversión de sedoheptulosa-7-P y gliceraldehído-3-P en pentosas, la aldosa D-ribosa-5-P y la cetosa D-xilulosa-5-P.
La segunda reacción catalizada por la transcetolasa en la vía de las pentosas fosfato implica la misma transferencia mediada por tiamina difosfato de un fragmento de 2 carbonos de la D-xilulosa-5-P a la aldosa eritrosa-4-fosfato , produciendo fructosa 6-fosfato y gliceraldehído-. 3-P. Nuevamente, en el ciclo de Calvin ocurre exactamente la misma reacción, pero en dirección opuesta. Además, en el ciclo de Calvin ésta es la primera reacción catalizada por la transcetolasa, y no la segunda.
En los mamíferos, la transcetolasa conecta la vía de las pentosas fosfato con la glucólisis , alimentando el exceso de fosfatos de azúcar a las principales vías metabólicas de los carbohidratos. Su presencia es necesaria para la producción de NADPH , especialmente en tejidos que participan activamente en biosíntesis, como la síntesis de ácidos grasos por parte del hígado y las glándulas mamarias , y para la síntesis de esteroides por parte del hígado y las glándulas suprarrenales . El difosfato de tiamina es un cofactor esencial, junto con el calcio .
La transcetolasa se expresa abundantemente en la córnea de los mamíferos mediante los queratocitos estromales y las células epiteliales y tiene fama de ser una de las cristalinas corneales . [2]
La transcetolasa se expresa ampliamente en una amplia gama de organismos, incluidos bacterias, plantas y mamíferos. Los siguientes genes humanos codifican proteínas con actividad transcetolasa:
La entrada al sitio activo de esta enzima está formada principalmente por varias cadenas laterales de arginina , histidina , serina y aspartato , mientras que una cadena lateral de glutamato desempeña un papel secundario. Estas cadenas laterales, para ser específicas Arg359, Arg528, His469 y Ser386, se conservan dentro de cada enzima transcetolasa e interactúan con el grupo fosfato de los sustratos donante y aceptor . Debido a que el canal del sustrato es tan estrecho, los sustratos donante y aceptor no pueden unirse simultáneamente. Además, los sustratos adoptan una forma ligeramente extendida al unirse en el sitio activo para acomodar este canal estrecho.
Aunque esta enzima es capaz de unirse a numerosos tipos de sustratos, como monosacáridos fosforilados y no fosforilados , incluidos los ceto y aldoazúcares fructosa , ribosa , etc., tiene una alta especificidad por la estereoconfiguración de los grupos hidroxilo de los azúcares. Estos grupos hidroxilo en C-3 y C-4 del donante de cetosa deben estar en la configuración D- treo para corresponder correctamente a las posiciones C-1 y C-2 en el aceptor de aldosa . [3] También estabilizan el sustrato en el sitio activo al interactuar con los residuos Asp477, His30 e His263. La alteración de esta configuración, tanto la colocación de los grupos hidroxilo como su estereoquímica, alteraría en consecuencia el enlace de H entre los residuos y los sustratos, provocando así una menor afinidad por los sustratos.
En la primera mitad de esta vía, His263 se utiliza para abstraer eficazmente el protón hidroxilo C3 , lo que permite así escindir un segmento de 2 carbonos de la fructosa 6-fosfato . [4] El cofactor necesario para que se produzca este paso es el pirofosfato de tiamina (TPP). La unión de TPP a la enzima no provoca ningún cambio conformacional importante en la enzima; en cambio, la enzima tiene dos bucles flexibles en el sitio activo que hacen que el TPP sea accesible y posible la unión. [3] Por lo tanto, esto permite que el sitio activo tenga una conformación "cerrada" en lugar de un gran cambio conformacional. Más adelante en la ruta, His263 se utiliza como donante de protones para el complejo aceptor de sustrato-TPP, que luego puede generar eritrosa-4-fosfato .
Las cadenas laterales de histidina y aspartato se utilizan para estabilizar eficazmente el sustrato dentro del sitio activo y también participan en la desprotonación del sustrato. Para ser específico, las cadenas laterales His 263 e His30 forman enlaces de hidrógeno con el extremo aldehído del sustrato, que está más profundo en el canal del sustrato, y Asp477 forma enlaces de hidrógeno con el grupo alfa hidroxilo en el sustrato, donde trabaja para efectivamente unir el sustrato y verificar la estereoquímica adecuada. También se cree que Asp477 podría tener importantes efectos catalíticos debido a su orientación en el medio del sitio activo y sus interacciones con el grupo alfa hidroxilo del sustrato. Glu418, que se encuentra en la región más profunda del sitio activo, desempeña un papel fundamental en la estabilización del cofactor TPP. Para ser específico, participa en la abstracción de protones asistida por cofactor de la molécula del sustrato. [3]
El grupo fosfato del sustrato también juega un papel importante en la estabilización del sustrato tras su entrada al sitio activo. Las estrechas interacciones iónicas y polares entre este grupo fosfato y los residuos Arg359, Arg528, His469 y Ser386 trabajan colectivamente para estabilizar el sustrato formando enlaces de H con los átomos de oxígeno del fosfato. [3] La naturaleza iónica se encuentra en el puente salino formado entre Arg359 y el grupo fosfato.
La catálisis de este mecanismo se inicia mediante la desprotonación de TPP en el anillo de tiazolio. Este carbanión luego se une al carbonilo del sustrato donante escindiendo así el enlace entre C-2 y C-3. Este fragmento ceto permanece unido covalentemente al carbono C-2 de TPP. Luego se libera el sustrato donante y el sustrato aceptor ingresa al sitio activo donde el fragmento, que está unido al difosfato intermedio de α-β-dihidroxietil tiamina, luego se transfiere al aceptor. [3]
También se han realizado experimentos que prueban el efecto de sustitución de alanina por los aminoácidos de entrada al sitio activo, Arg359, Arg528 e His469, que interactúan con el grupo fosfato del sustrato. Este reemplazo crea una enzima mutante con actividad catalítica deteriorada. [3]
La actividad transcetolasa disminuye en la deficiencia de tiamina, que en general se debe a la desnutrición . Varias enfermedades están asociadas con la deficiencia de tiamina, incluido el beriberi , la enfermedad de los ganglios basales sensibles a la biotina-tiamina (BTBGD) , [5] el síndrome de Wernicke-Korsakoff y otras (consulte tiamina para obtener una lista completa).
En el síndrome de Wernicke-Korsakoff, si bien no se pudieron demostrar mutaciones, [6] hay indicios de que la deficiencia de tiamina conduce al síndrome de Wernicke-Korsakoff sólo en aquellos cuya transcetolasa tiene una afinidad reducida por la tiamina. [7] De esta manera, la actividad de la transcetolasa se ve muy obstaculizada y, como consecuencia, se inhibe toda la vía de las pentosas fosfato. [8]
En la deficiencia de transcetolasa, también conocida como SDDHD (estatura baja, retraso en el desarrollo y defectos cardíacos congénitos), la enfermedad es causada por una mutación autosómica recesiva hereditaria en el gen TKT. Un trastorno poco común del metabolismo de las pentosas fosfato con síntomas evidentes en la infancia, que incluyen retraso en el desarrollo y discapacidad intelectual, retraso o ausencia del habla, baja estatura y defectos cardíacos congénitos. Las características adicionales reportadas incluyen hipotonía, hiperactividad, comportamiento estereotipado, anomalías oftalmológicas, discapacidad auditiva y dismorfismo facial variable, entre otras. Los análisis de laboratorio muestran niveles elevados de polioles plasmáticos y urinarios (eritritol, arabitol y ribitol) y azúcares-fosfato urinarios (ribosa-5-fosfato y xilulosa/ribulosa-5-fosfato). [9] "Los extractos celulares de los 5 pacientes mostraron actividad TKT residual baja o ausente. Boyle et al. (2016) sugirieron que la baja actividad TKT en algunos tejidos, posiblemente de otra proteína con la misma función, podría explicar por qué la deficiencia de TKT es compatible con la vida a pesar de que TKT es una enzima esencial". [10]
La actividad transcetolasa de los glóbulos rojos se reduce en la deficiencia de tiamina (vitamina B 1 ) y puede usarse en el diagnóstico de la encefalopatía de Wernicke y otros síndromes por deficiencia de B 1 si el diagnóstico es dudoso. [11] Aparte de la actividad enzimática inicial (que puede ser normal incluso en estados carenciales), la aceleración de la actividad enzimática después de la adición de pirofosfato de tiamina puede ser diagnóstica de deficiencia de tiamina (0-15% normal, 15-25% deficiencia, > 25% deficiencia grave). [12]
