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Complejo deshidrogenasa de alfa-cetoácidos de cadena ramificada

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Imagen esquemática de la estructura de una de las porciones del complejo de la deshidrogenasa de alfa-ceto ácidos de cadenas laterales ramificadas

El complejo deshidrogenasa de alfa-cetoácidos de cadena ramificada (por sus siglas en inglés, BCKDC) es un complejo de enzimas de múltiples subunidades estructurales localizado en la membrana interior mitocondrial.[1]​ Este complejo de enzima cataliza el descarboxilación oxidativa de alfa-cetoácidos de cadena ramificada. La enzima es miembro de la familia de complejos de deshidrogenasas mitocondriales de α-cetoácidos donde se incluye la piruvato deshidrogenasa y la Alfa-cetoglutarato deshidrogenasa, enzimas claves que operan en el Ciclo de Krebs.

Función biológica

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Figura 1: Reacción generalizada catalizada por el complejo de la deshidrogenasa de alfa-cetoacidos de cadena ramificada.

En tejido animal, el complejo BCKDC cataliza un paso irreversible en el catabolismo de aminoácidos de cadena ramificada—concretamente la L-isoleucina, L-valina, L-leucina L-treonina y sus derivados (L-alfa ceto-beta-metilvalerato, alfa-cetoisovalerato, alfa-cetoisocaproato, y la alfa-cetobutirato respectivamente).[2]​[3]​[4]​[5]​ En bacterias, esta enzima participa en la síntesis de ácidos grasos ramificados de cadena larga.[6]​ En plantas, esta enzima está implicada en la síntesis de hidrocarburos ramificados de cadena larga, aunque su estructura es un poco diferente que la de los animales y bacterias especialmente a nivel de la subunidad E2.[7]​

Estructura

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El mecanismo por el que el complejo BCKDC ejerce su función se fundamenta en gran parte por la compleja estructura de este gigante complejo enzimático.[7]​ La enzima está compuesta por tres componentes catalíticos codificados por diferentes genes:[8]​ la alfa-cetoácido deshidrogenasa (también referida como la subunidad E1), la dihidrolipoil transacilasa (subunidad E2), y la Dihidrolipoil deshidrogenasa (subunidad E3).[7]​ Además, emplea 2 enzimas reguladoras, la BCKDH fosfatasa y la BCKDH quinasa.

En humanos, 24 copias de la subunidad E2 se sitúan en simetría octaédrica formando el núcleo del complejo BCKDC.[9]​ Unidos de manera no-covalente a este polímero de 24 subunidades E2 se ubican 12 tetrámeros α2β2 de la subunidad E1 y 6 homodímeros de la subunidad E3. Además del dominio de unión entre E1 y E3 hay otras 2 dominios estructurales importantes en la subunidad E2: (i) un dominio cargado con lipoil en el extremo amino terminal de la proteína y (ii) un dominio estructural interno en el extremo carboxi-terminal. Este dominio interno está enlazado a los otros dos dominios de la subunidad E2 por dos segmentos interdominio que funcionan como uniones de enlace.[10]​ El dominio interno tienen gran utilidad para la formación de un núcleo oligomérico del complejo enzimático y cataliza la reacción de la aciltransferasa (véase el epígafe de Mecanismo más abajo).[11]​ El dominio lipoil de E2 tienen la libertad estructural de intercambiar de ubicación los sitios activos de E1, E2, y E3 en el complejo BCKDC ensamblado y lo logra en virtud de la flexibilidad conformational del antedicho segmentos de unión (véase la Figura 2).[12]​[13]​ Así, en términos de función así como de su estructura, el complejo E2 juega una función central en la reacción global catalizada por la enzima BCKDC.

Figura 2: Reacción esquemática dominio lipoil que se intercambia entre las unidades del complejo BCKDC. Aun cuando este dominio lipoil erstá sujetado covalentemente a la subunidad E2, es libre de balancearse entre E1, E2, y E3.[14]​

Subunidad E1

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La subunidad E1 emplea al pirofosfato de tiamina (TPP) como cofactor catalítico. E1 cataliza tanto la descarboxilación del α-cetoácido y la subsiguiente reducción por acilación de la mitad lipoil (otro cofactor catalítico) que está unido de manera covalente a la subunidad E2. El componente E1 está conformado por 2 subunidades E1alfa y E1beta, formando un tetrámeroː E1alfa2-E1beta2.[8]​

Subunidad E2

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La subunidad E2 cataliza una transferencia del grupo acilo de la mitad lipoil a la coenzima A (un cofactor estequiométrico).[15]​

Subunidad E3

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La subunidad E3 es una flavoproteina, y re-oxida al ya reducido grupo sulfuro de lipoil en la subunidad E2 utilizando como oxidante al cofactor catalítico FAD. El FAD entonces transfiere estos protones y electrones al NAD+ (un cofactor estequiométricos) para completar el ciclo de reacción. La unidad E3 interviene también con los complejos piruvato deshidrogenasa y alfacetoglutarato deshidrogenasa. Como consecuencia del fallo de este complejo enzimático, se produce acumulación de los aminoácidos leucina, isoleucina y valina y sus alfa-cetoácidos correspondientes.[8]​

El fallo de la unidad E3 produce además una acumulación de los ácidos pirúvico, láctico, alfaceto-glutárico, 2-hidroxibutírico, 3-hidroxibutírico y 3 hidroxiisovalérico en vista de su participación con los complejos piruvato y alfa-cetoglutarato deshidrogenasas.[8]​

Coenzimas

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Esto complejo requiere las siguientes 5 coenzimas:[8]​[16]​[17]​

Mecanismo

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Figura 3: la α-cetoisovalerata se combina con TPP y es entonces descarboxilada
Figura 4: El 2-metilpropanol-TPP es oxidado para formar un grupo acilo mientras que es simultáneamente transferido al cofactor lipoil en la subunidad E2. El TPP es regenerado.
Figura 5: Acil transferencia al grupo CoA
Figura 6: Oxidación de la mitad lipoil por la coenzima FAD

Como ya se ha mencionado, la función principal el complejo BCKDC en mamíferos es la de catalizar un paso irreversible en el catabolismo de aminoácidos de cadena ramificada. Aun así, el complejo BCKDC tiene una especificidad relativamente amplia, también realiza la alfa oxidación de 4-metiltio-2-oxobutirato y 2-oxobutirato en índices comparables y con valores de KM similares a los de sus sustratos de aminoácido de cadena ramificada.[18]​ El complejo BCKDC también es capaz de oxidar al piruvato, pero a una velocidad de reacción tan lenta que tiene muy poca relevancia fisiológica.[19]​[20]​

El mecanismo de reacción se muestra a continuación.[21]​ Para ilustrar los pasos reactivos se pudiera usar cualquiera de las estructuras de los varios α-cetoacidos de cadena ramificada; para este ejemplo, se presenta al α-cetoisovalerato como sustrato del complejo BCKDC.

NOTA: Los pasos 1 y 2 ocurren en el dominio E1

PASO 1: la α-cetoisovalerato se combina con TPP y es entonces descarboxilada.[22]​ El mecanismo que empuja la dirección de la flecha se muestra en la Figura 3. PASO 2: El 2-metilpropanol-TPP es oxidado para formar un grupo acilo, mientras que es simultáneamente transferido al cofactor lipoil en la subunidad E2.[22]​ Es de notar que en este paso el TPP es regenerado. El mecanismo que empuja la dirección de la flecha se muestra en la Figura 4.

NOTA: El brazo lipoil acilado ahora se desprende de la subunidad E1 y salta al sitio activo de E2, donde ocurre el paso 3.

PASO 3: Acil transferencia al grupo CoA. El mecanismo que empuja la dirección de la flecha se muestra en la Figura 5.

NOTA: El brazo lipoil reducido ahora pasa al sitio activo de la subunidad E3, donde ocurren los Pasos 4 y 5.

PASO 4: Oxidación de la mitad lipoil por la coenzima FAD,[23]​ mostrado en la Figura 6. PASO 5: Reoxidación de FADH2 a FAD, produciendo NADH:

FADH2 + NAD+ --> FAD + NADH + H+

Rol en enfermedades

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Una deficiencia en cualquiera de las enzimas de este complejo, así como una inhibición generalizada del complejo produce una acumulación aminoácidos de cadena ramificada y sus derivados nocivos para el cuerpo. Estas acumulaciones dejan un olor dulce en las excreciones corporales (tales como el serumen de oreja y en la orina), produciendo una patología conocida como enfermedad del jarabe de arce.[16]​[24]​

Esta enzima es un autoantígeno reconocida en la cirrosis biliar primaria, una forma de insuficiencia aguda de hígado.[25]​ Estos anticuerpos parecen reconocer ciertas proteínas oxidadas que son el resultado de respuestas inmunes inflamatorias. Algunas de estas respuestas inflamatorias están involucradas en enfermedades como la sensibilidad al gluten no celíaca.[26]​ Otros autoantígenos mitocondriales incluyen el piruvato deshidrogenasa y la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa de cadena ramificada, los cuales son antígenos reconocidos por anticuerpos mitocondriales.[25]​

Referencias

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  1. ↑ Indo I, Kitano A, Endo F, Akaboshi I, Matsuda, I (1987). «Altered Kinetic Properties of the Branched-Chain Alpha-Keto Acid Dehydrogenase Complex Due to Mutation of the Beta-Subunit of the Branched-Chain Alpha-Keto Acid Decarboxylase (E1) Component in Lymphoblastoid Cells Derived from Patients with Maple Syrup Urine Disease». J Clin Invest 80 (1): 63-70. PMID 3597778. doi:10.1172/JCI113064. 
  2. ↑ Yeaman SJ (1989). «The 2-oxo acid dehydrogenase complexes: recent advances.». Biochem J. 257 (3): 625-632. PMID 2649080. 
  3. ↑ Broquist HP, Trupin JS. (1966). «Amino Acid Metabolism». Annual Review of Biochemistry 35: 231-247. doi:10.1146/annurev.bi.35.070166.001311. 
  4. ↑ Harris RA, Paxton R, Powell SM, Goodwin GW, Kuntz MJ, Han AC. (1986). «Regulation of branched-chain alpha-ketoacid dehydrogenase complex by covalent modification.». Adv Enzyme Regul. 25: 219-237. PMID 3028049. doi:10.1016/0065-2571(86)90016-6. 
  5. ↑ Namba Y, Yoshizawa K, Ejima A, Hayashi T, Kaneda T. (1969). «Coenzyme A- and nicotinamide adenine dinucleotide-dependent branched chain alpha-keto acid dehydrogenase. I. Purification and properties of the enzyme from Bacillus subtilis.». J Biol Chem. 244 (16): 4437-4447. PMID 4308861. 
  6. ↑ Lennarz WJ (1961). «The role of isoleucine in the biosynthesis of branched-chain fatty acids by micrococcus lysodeikticus.». Biochemical and Biophysical Research Communications 6 (2): 1112-116. PMID 14463994. doi:10.1016/0006-291X(61)90395-3. 
  7. ↑ a b c Mooney, B. P., Henzl, M. T., Miernyk, J. A., & Randall, D. D. (2000). «The dihydrolipoyl acyltransferase (BCE2) subunit of the plant branched-chain alpha-ketoacid dehydrogenase complex forms a 24-mer core with octagonal symmetry». Protein Science : A Publication of the Protein Society, 9 (7): 1334-1339. PMC 2144684. 
  8. ↑ a b c d e Ponton, Raúl Alberto (2004). «Enfermedades relacionadas con la nutrición: errores congénitos del metabolismo. Enfermedad de la orina con olor a jarabe de arce.». Invenio 7 (noviembre). ISSN 0329-3475. 
  9. ↑ Aevarsson A, Chuang JL, Wynn RM, Turley S, Chuang DT, Hol WGJ. (2000). «Crystal structure of human branched-chain α-ketoacid dehydrogenase and the molecular basis of multienzyme complex deficiency in maple syrup urine disease». Structure 8 (3): 277-291. PMID 10745006. doi:10.1016/S0969-2126(00)00105-2. 
  10. ↑ Chuang DT. (1989). «Molecular studies of mammalian branched-chain alpha-keto acid dehydrogenase complexes: domain structures, expression, and inborn errors.». Annals of the New York Academy of Sciences 573: 137-154. PMID 2699394. doi:10.1111/j.1749-6632.1989.tb14992.x. 
  11. ↑ Chuang DT, Hu CW, Ku LS, Markovitz PJ, Cox RP. (1985). «Subunit structure of the dihydrolipoyl transacylase component of branched-chain alpha-keto acid dehydrogenase complex from bovine liver. Characterization of the inner transacylase core.». J Biol Chem 260 (25): 13779-86. PMID 4055756. 
  12. ↑ Reed LJ, Hackert ML. (1990). «Structure-function relationships in dihydrolipoamide acyltransferases.». J Biol Chem 265 (16): 8971-8974. PMID 2188967. 
  13. ↑ Perham RN. (1991). «Domains, motifs, and linkers in 2-oxo acid dehydrogenase multienzyme complexes: a paradigm in the design of a multifunctional protein.». Biochemistry 30 (35): 8501-8512. PMID 1888719. doi:10.1021/bi00099a001. 
  14. ↑ Berg, Jeremy M., John L. Tymoczko, Lubert Stryer, and Lubert Stryer.
  15. ↑ Heffelfinger SC, Sewell ET, Danner DJ. (1983). «Identification of specific subunits of highly purified bovine liver branched-chain ketoacid dehydrogenase.». Biochemistry 22 (24): 5519-5522. PMID 6652074. doi:10.1021/bi00293a011. 
  16. ↑ a b DM Vasudevan, S Sreekumari (2012). Texto de Bioquimica para Estudiantes de Medicina. JP Medical Ltd. p. 200. ISBN 6070041208. Consultado el 11 de diciembre de 2015. 
  17. ↑ Jan Koolman, Klaus-Heinrich Röhm (2005). Bioquímica: texto y atlas. Ed. Médica Panamericana. p. 134. ISBN 8479037245. Consultado el 11 de diciembre de 2015. 
  18. ↑ Jones SM, Yeaman SJ. (1986). «Oxidative decarboxylation of 4-methylthio-2-oxobutyrate by branched-chain 2-oxo acid dehydrogenase complex.». Biochemical Journal 237 (2): 621-623. PMC 1147032. PMID 3800905. 
  19. ↑ Pettit FH, Yeaman SJ, Reed LJ. (1978). «Purification and characterization of branched chain alpha-keto acid dehydrogenase complex of bovine kidney.». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 75 (10): 4881-4885. PMC 336225. PMID 283398. doi:10.1073/pnas.75.10.4881. 
  20. ↑ Damuni Z, Merryfield ML, Humphreys JS, Reed LJ. (1984). «Purification and properties of branched-chain alpha-keto acid dehydrogenase phosphatase from bovine kidney.». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 81 (14): 4335-4338. PMC 345583. PMID 6589597. doi:10.1073/pnas.81.14.4335. 
  21. ↑ Berg, Jeremy M., John L. Tymoczko, Lubert Stryer, and Lubert Stryer. Biochemistry. 6th ed. New York: W.H. Freeman, 2007. 478-79.
  22. ↑ a b Berg, Jeremy M., John L. Tymoczko, Lubert Stryer, and Lubert Stryer. Biochemistry. 5th ed. New York: W.H. Freeman, 2007. Pág 701. Accesado 12 de diciembre de 2015
  23. ↑ Berg, Jeremy M., John L. Tymoczko, Lubert Stryer, and Lubert Stryer. Biochemistry. 5th ed. New York: W.H. Freeman, 2007. Pág 968. Accesado 12 de diciembre de 2015
  24. ↑ Podebrad F, Heil M, Reichert S, Mosandl A, Sewell AC, Böhles H (abril de 1999). «4,5-dimethyl-3-hydroxy-25H-furanone (sotolone)--the odour of maple syrup urine disease». Journal of Inherited Metabolic Disease 22 (2): 107-114. PMID 10234605. doi:10.1023/A:1005433516026. 
  25. ↑ a b M.S. Patel, T.E. Roche, Robert Harris (2012). Alpha-Keto Acid Dehydrogenase Complexes. Birkhäuser. pp. 307-311. ISBN 303488981X. Consultado el 12 de diciembre de 2015. 
  26. ↑ Leung PS, Rossaro L, Davis PA (2007). «Antimitochondrial antibodies in acute liver failure: Implications for primary biliary cirrhosis». Hepatology 46 (5): 1436-42. PMC 3731127. PMID 17657817. doi:10.1002/hep.21828. 
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