Аминотрансфераза аминокислот с разветвлённой цепью

Аминотрансфераза аминокислот с разветвлённой цепью
Аминотрансфераза аминокислот с разветвлённой цепью, гексамер из Burkholderia pseudomallei.
Аминотрансфераза аминокислот с разветвлённой цепью, гексамер из Burkholderia pseudomallei.
Идентификаторы
Шифр КФ 2.6.1.42
Номер CAS 9054-65-3
Базы ферментов
IntEnz IntEnz view
BRENDA BRENDA entry
ExPASy NiceZyme view
MetaCyc metabolic pathway
KEGG KEGG entry
PRIAM profile
PDB structures RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Поиск
PMC статьи
PubMed статьи
NCBI NCBI proteins
CAS 9054-65-3
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Аминотрансфераза аминокислот с разветвлённой цепью также трансаминаза разветвлённых аминокислот (англ. Branched-chain amino acid aminotransferase, сокр. BCAT) — фермент (КФ 2.6.1.42), из семейства аминотрансферазы (класс трансферазы), катализирующий обратимую реакцию трансаминирования аминокислот с разветвлённой цепью (BCAA) до соответствующих разветвлённых α-кетокислот. Схема реакций:

L-лейцин + 2-оксоглутарат 4-метил-2-оксопентаноат + L-глутамат
L-изолейцин + 2-оксоглутарат 3-метил-2-оксопентаноат + L-глутамат
L-валин + 2-оксоглутарат 3-метил-2-оксобутаноат + L-глутамат

В качестве кофермента используется пиридоксаль-5'-фосфат (PLP). У человека обнаружены две изоформы данного фермента — цитозольная (BCATc) и митохондриальная (BCATm).

Цитозольный изофермент (BCATc) у человека кодируется геном BCAT1, который локализован на коротком плече (p-плече) 12-й хромосомы[1]. Митохондриальная изоформа (BCATm) кодируется геном — BCAT2, расположенный на длинном плече (q-плече) 19-й хромосомы[2].

Биологическая функция аминотрансферазы аминокислот с разветвлённой цепью заключается в катализе синтеза или деградации аминокислот с разветвлённой цепью — лейцина, изолейцина и валина[3]. У человека аминокислоты с разветвлённой цепью незаменимы и разрушаются под действием BCAT.

Структура и выполняемые функции

[править | править код]

У человека BCAT представляют собой гомодимеры, состоящие из двух доменов: малой субъединицы (остатки 1–170) и большой субъединицы (остатки 182–365). Эти субъединицы соединены короткой петлеобразной соединительной областью (остатки 171–181)[4]. Обе субъединицы состоят из четырёх альфа-спиралей и бета-складчатого листа[5]. Структурные исследования человеческих аминотрансфераз с разветвлённой цепью (hBCAT) показали, что пептидные связи в обеих изоформах являются транс-связями, за исключением связи между остатками Gly338-Pro339[5]. Активный центр фермента находится на границе раздела двух доменов[5]. Как и другие трансаминазные ферменты (а также многие ферменты других классов), BCAT используют для своей активности кофактор пиридоксаль-5'-фосфат (PLP). Было обнаружено, что PLP изменяет конформацию ферментов аминотрансфераз, фиксируя конформацию фермента через связь основания Шиффа (имина) в реакции между остатком лизина фермента и карбонильной группой кофактора[6]. Это конформационное изменение позволяет субстратам связываться с карманом активного сайта ферментов.

Активный центр

[править | править код]

Помимо связи с основанием Шиффа, PLP прикрепляется к активному сайту фермента посредством водородной связи с остатками Tyr-207 и Glu-237. Кроме того, атомы кислорода фосфорного остатка (-OPO34-) в молекуле PLP взаимодействуют с остатками Arg-99, Val-269, Val-270 и Thr-310[5]. BCAT млекопитающих имеют уникальный структурный CXXC-мотив (Cys-315 и Cys-318), чувствительный к окислителям[7] и модулируемый посредством S-нитрозирования[8], посттрансляционной модификации, регулирующей передачу клеточного сигнала (клеточный сигналинг)[9]. Модификация этих двух остатков цистеина путём окисления (in vivo/vitro) или титрования (in vitro), как было установлено, ингибирует активность фермента[4], указывая на то, что мотив CXXC имеет решающее значение для оптимального фолдинга (сворачивания) и функционирования белка[10]. Чувствительность обоих изоферментов к окислению делает их потенциальными биомаркерами окислительно-восстановительной среды внутри клетки[11]. Хотя мотив CXXC присутствует только в BCAT млекопитающих, было установлено, что окружающие его аминокислотные остатки высоко консервативны как в прокариотических, так и в эукариотических клетках[12]. Conway, Yeenawar et al. обнаружили, что активный сайт млекопитающих содержит три поверхности: поверхность А (Phe-75, Tyr-207 и Thr-240), поверхность В (Phe-30, Tyr-141 и Ala-314) и поверхность С (Tyr-70, Leu-153 и Val-155, расположенные на противоположном домене), которые связываются с субстратом в результате Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий с разветвлёнными боковыми цепями аминокислотных субстратов[12].

Изоферменты

[править | править код]

Млекопитающие

[править | править код]

BCAT у млекопитающих катализируют первый этап метаболизма аминокислот с разветвлённой цепью — обратимое трансаминирование с последующим окислительным декарбоксилированием продуктов трансаминирования: α-кетоизокапроата, α-кето-β-метилвалерата и α-кетоизовалерата до изовалерил-КоА, 3-метилбутирил-КоА и изобутирил-КоА, соответственно[13]. Данная реакция регулирует метаболизм аминокислот и является важным этапом в транспортировке азота по всему организму[14]. Аминокислоты с разветвлённой цепью (BCAA) повсеместно распространены во многих организмах, и составляют 35 % всех белков и 40 % аминокислот, необходимых всем млекопитающим[13]. BCAT млекопитающих представлены двумя изоформами: цитозольной (BCATc) и митохондриальной (BCATm). Изоформы имеют 58 % гомологии[15], но различаются по месту локализации и каталитической эффективности.

Цитозольная изоформа

[править | править код]

Цитозольная изоформа аминотрансферазы аминокислот с разветвлённой цепью — менее распространённая из двух изоформ, встречающаяся в цитоплазме клеток млекопитающих почти исключительно в нервной системе[15]. Хотя BCATc экспрессируются только в нескольких тканях взрослого организма, они экспрессируются на высоком уровне во время эмбриогенеза[16]. Цитозольная изоформа имеет более высокую скорость оборота, примерно в 2-5 раз быстрее, чем митохондриальная изоформа[17]. Было установлено, что BCATc более стабильна, чем BCATm, что свидетельствует о наличии 2 сульфидных связей[17]. Цитозольный изофермент не теряет активности при титровании одной тиоловой группы[11]. Человеческая BCATc демонстрирует более низкий редокс-потенциал (примерно на 30 мВ), чем BCATm.

Митохондриальная изоформа

[править | править код]
Митоходриальная изоформа аминотрансферазы аминокислот с разветвлённой цепью, гомодимер, человек.

Митохондриальная изоформа аминотрансферазы аминокислот с разветвлённой цепью — более распространённая из двух изоформ, присутствующая во всех тканях, внутри митохондрий клеток[8]. Было установлено, что ацинарная ткань поджелудочной железы содержит самый высокий уровень BCATm в организме[18]. Кроме того, были обнаружены два гомолога нормальной BCATm. Один гомолог обнаружен в плацентарной ткани, а другой корепрессирует ядерные рецепторы гормонов щитовидной железы[16][19]. BCATm более чувствителен к окислительно-восстановительной среде клетки и может ингибироваться ионами никеля (Ni2+), даже если среда является восстановительной. Было установлено, что BCATm не образует дисульфидных связей, а титрование двух -SH-групп с помощью 5,5'-дитиобис(2-нитробензойной кислоты) полностью снижает активность данного фермента[17].

Растительные изоформы

[править | править код]

Растительные BCAT также были идентифицированы, но различаются между видами по количеству и последовательности. В исследованиях Arabidopsis thaliana (кресс-салат) были идентифицированы шесть изоформ BCAT, которые имеют 47,5-84,1 % гомологии друг с другом. Эти изоформы также имеют около 30 % гомологии с изоформами человека и дрожжей (Saccharomyces cerevisiae)[20]. BCAT1 расположена в митохондриях, BCAT2, 3 и 5 — в хлоропластах, а BCAT4 и 6 — в цитоплазме A. thaliana[21]. Однако исследования BCATs у Solanum tuberosum (картофеля) выявили две изоформы длиной 683 (BCAT1) и 746 (BCAT2) п.н., расположенные преимущественно в хлоропластах[22].

Бактериальные изоформы

[править | править код]

В бактериях существует только одна изоформа фермента BCAT. Однако структура фермента у разных организмов отличается. У кишечной палочки фермент представляет собой гексамер, содержащий шесть идентичных субъединиц. Каждая субъединица имеет молекулярную массу 34 кДа и состоит из 308 аминокислот[23]. В отличие от них, BCAT Lactococcus lactis представляет собой гомодимер, подобный изоформам млекопитающих. Каждая субъединица L. lactis BCAT состоит из 340 аминокислот с молекулярной массой 38 кДа[24].

Биологическая роль

[править | править код]

Человек

[править | править код]

Поскольку аминокислоты с разветвлённой цепью играют важнейшую роль в формировании и функционировании многих белков, BCAT выполняют множество физиологических функций у млекопитающих. Было установлено, что BCAT взаимодействуют с протеиндисульфид изомеразами — классом ферментов, регулирующих клеточную регенерацию и правильное сворачивание белков (фолдинг). Второй этап метаболизма BCAA (окислительное декарбоксилирование под действием дегидрогеназного комплекса α-кетокислот с разветвлённой цепью) стимулирует секрецию инсулина. Потеря BCATm коррелирует с потерей BCKD-стимулированной секреции инсулина, но не была связана с потерей секреции инсулина другими метаболическими путями. BCATc регулирует сигнальные пути mTORC1 и TCR-индуцированный гликолитический путь метаболизма во время активации CD4+ T-клеток[25]. В мозге BCATc регулирует количество вырабатываемого глутамата для использования его в качестве нейротрансмиттера или для будущего синтеза γ-аминомасляной кислоты (ГАМК)[26].

Растения

[править | править код]

Аминотрансферазы аминокислот с разветвлённой цепью также выполняют физиологические функции у растений, но они не изучены так широко, как BCAT млекопитающих. Было обнаружено, что в Cucumis melo (дыня) BCAT играют роль в синтезе летучих ароматических соединений, которые придают дыне особый аромат и вкус[27]. В Solanum lycopersicum (помидоры) BCAT играют роль в синтезе аминокислот с разветвлённой цепью, которые действуют как доноры электронов в цепи переноса электронов. В целом растительные BCAT обладают катаболическими и анаболическими регуляторными функциями[28].

Бактерии

[править | править код]

В физиологии бактерий BCAT осуществляют катализ обеих реакций, образуя как α-кетокислоты, так и аминокислоты с разветвлённой цепью. Бактерии, растущие на среде с недостаточным для роста соотношением аминокислот, чтобы эффективно размножаться, должны иметь способность к синтезу аминокислот с разветвлённой цепью[29]. У Streptococcus mutans, грамположительной бактерии, живущей в ротовой полости человека и вызывающей кариес, биосинтез/деградация аминокислот, как было установлено, регулирует гликолиз и поддерживает внутриклеточный рН. Это позволяет бактерии выживать в кислых условиях полости рта человека за счёт расщепления углеводов[30].

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ OMIM Entry - * 113520 - BRANCHED-CHAIN AMINOTRANSFERASE 1; BCAT1. Дата обращения: 11 декабря 2023. Архивировано 17 ноября 2023 года.
  2. ↑ OMIM Entry - * 113530 - BRANCHED-CHAIN AMINOTRANSFERASE 2; BCAT2. Дата обращения: 11 декабря 2023. Архивировано 21 ноября 2023 года.
  3. ↑ Hutson S (2001). Structure and function of branched chain aminotransferases. Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology. 70: 175–206. doi:10.1016/s0079-6603(01)70017-7. ISBN 9780125400701. PMID 11642362.
  4. ↑ 1 2 Conway ME, Yennawar N, Wallin R, Poole LB, Hutson SM (July 2002). Identification of a peroxide-sensitive redox switch at the CXXC motif in the human mitochondrial branched chain aminotransferase. Biochemistry. 41 (29): 9070–8. doi:10.1021/bi020200i. PMID 12119021.
  5. ↑ 1 2 3 4 Yennawar N, Dunbar J, Conway M, Hutson S, Farber G (April 2001). The structure of human mitochondrial branched-chain aminotransferase. Acta Crystallographica Section D. 57 (Pt 4): 506–15. doi:10.1107/s0907444901001925. PMID 11264579.
  6. ↑ Toney MD (November 2011). Pyridoxal phosphate enzymology. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics. Pyridoxal Phosphate Enzymology. 1814 (11): 1405–6. doi:10.1016/j.bbapap.2011.08.007. PMID 21871586.
  7. ↑ Yennawar NH, Islam MM, Conway M, Wallin R, Hutson SM (December 2006). Human mitochondrial branched chain aminotransferase isozyme: structural role of the CXXC center in catalysis. The Journal of Biological Chemistry. 281 (51): 39660–71. doi:10.1074/jbc.M607552200. PMID 17050531.
  8. ↑ 1 2 Hull J, Hindy ME, Kehoe PG, Chalmers K, Love S, Conway ME (December 2012). Distribution of the branched chain aminotransferase proteins in the human brain and their role in glutamate regulation. Journal of Neurochemistry. 123 (6): 997–1009. doi:10.1111/jnc.12044. PMID 23043456. S2CID 206088992.
  9. ↑ Thomas DD, Jourd'heuil D (October 2012). S-nitrosation: current concepts and new developments. Antioxidants & Redox Signaling. 17 (7): 934–6. doi:10.1089/ars.2012.4669. PMC 3411337. PMID 22530975.
  10. ↑ El Hindy M, Hezwani M, Corry D, Hull J, El Amraoui F, Harris M, Lee C, Forshaw T, Wilson A, Mansbridge A, Hassler M, Patel VB, Kehoe PG, Love S, Conway ME (June 2014). The branched-chain aminotransferase proteins: novel redox chaperones for protein disulfide isomerase--implications in Alzheimer's disease. Antioxidants & Redox Signaling. 20 (16): 2497–513. doi:10.1089/ars.2012.4869. PMC 4026213. PMID 24094038.
  11. ↑ 1 2 Coles SJ, Hancock JT, Conway ME (February 2012). Differential redox potential between the human cytosolic and mitochondrial branched-chain aminotransferase. Acta Biochimica et Biophysica Sinica. 44 (2): 172–6. doi:10.1093/abbs/gmr103. PMID 22107788.
  12. ↑ 1 2 Conway ME, Yennawar N, Wallin R, Poole LB, Hutson SM (April 2003). Human mitochondrial branched chain aminotransferase: structural basis for substrate specificity and role of redox active cysteines. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics. 3rd International Symposium on Vitamin B6, PQQ, Carbonyl Catalysis and Quinoproteins. 1647 (1–2): 61–5. doi:10.1016/S1570-9639(03)00051-7. PMID 12686109.
  13. ↑ 1 2 Harper AE, Miller RH, Block KP (1 января 1984). Branched-chain amino acid metabolism. Annual Review of Nutrition. 4 (1): 409–54. doi:10.1146/annurev.nu.04.070184.002205. PMID 6380539.
  14. ↑ Bixel M, Shimomura Y, Hutson S, Hamprecht B (March 2001). Distribution of key enzymes of branched-chain amino acid metabolism in glial and neuronal cells in culture. The Journal of Histochemistry and Cytochemistry. 49 (3): 407–18. doi:10.1177/002215540104900314. PMID 11181743.
  15. ↑ 1 2 D'Mello, J. P. Felix. Amino Acids in Human Nutrition and Health. — CABI, 2012. — ISBN 978-1-84593-901-4.
  16. ↑ 1 2 Lin HM, Kaneshige M, Zhao L, Zhang X, Hanover JA, Cheng SY (December 2001). An isoform of branched-chain aminotransferase is a novel co-repressor for thyroid hormone nuclear receptors. The Journal of Biological Chemistry. 276 (51): 48196–205. doi:10.1074/jbc.M104320200. PMID 11574535.
  17. ↑ 1 2 3 Davoodi J, Drown PM, Bledsoe RK, Wallin R, Reinhart GD, Hutson SM (February 1998). Overexpression and characterization of the human mitochondrial and cytosolic branched-chain aminotransferases. The Journal of Biological Chemistry. 273 (9): 4982–9. doi:10.1074/jbc.273.9.4982. PMID 9478945.
  18. ↑ Zhou Y, Jetton TL, Goshorn S, Lynch CJ, She P (October 2010). Transamination is required for {alpha}-ketoisocaproate but not leucine to stimulate insulin secretion. The Journal of Biological Chemistry. 285 (44): 33718–26. doi:10.1074/jbc.M110.136846. PMC 2962470. PMID 20736162.
  19. ↑ Than NG, Sümegi B, Than GN, Bellyei S, Bohn H (2001). Molecular cloning and characterization of placental tissue protein 18 (PP18a)/human mitochondrial branched-chain aminotransferase (BCATm) and its novel alternatively spliced PP18b variant. Placenta. 22 (2–3): 235–43. doi:10.1053/plac.2000.0603. PMID 11170829.
  20. ↑ Diebold R, Schuster J, Däschner K, Binder S (June 2002). The branched-chain amino acid transaminase gene family in Arabidopsis encodes plastid and mitochondrial proteins. Plant Physiology. 129 (2): 540–50. doi:10.1104/pp.001602. PMC 161671. PMID 12068099.
  21. ↑ Binder S, Knill T, Schuster J (November 2006). Branched-chain amino acid metabolism in higher plants. Physiologia Plantarum. 129 (1): 68–78. doi:10.1111/j.1399-3054.2006.00800.x.
  22. ↑ Campbell MA, Patel JK, Meyers JL, Myrick LC, Gustin JL (October 2001). Genes encoding for branched-chain amino acid aminotransferase are differentially expressed in plants. Plant Physiology and Biochemistry. 39 (10): 855–860. doi:10.1016/S0981-9428(01)01306-7.
  23. ↑ Okada K, Hirotsu K, Sato M, Hayashi H, Kagamiyama H (April 1997). Three-dimensional structure of Escherichia coli branched-chain amino acid aminotransferase at 2.5 A resolution. Journal of Biochemistry. 121 (4): 637–41. doi:10.1093/oxfordjournals.jbchem.a021633. PMID 9163511.
  24. ↑ Yvon M, Chambellon E, Bolotin A, Roudot-Algaron F (February 2000). Characterization and role of the branched-chain aminotransferase (BcaT) isolated from Lactococcus lactis subsp. cremoris NCDO 763. Applied and Environmental Microbiology. 66 (2): 571–7. Bibcode:2000ApEnM..66..571Y. doi:10.1128/AEM.66.2.571-577.2000. PMC 91865. PMID 10653720.
  25. ↑ Ananieva EA, Patel CH, Drake CH, Powell JD, Hutson SM (July 2014). Cytosolic branched chain aminotransferase (BCATc) regulates mTORC1 signaling and glycolytic metabolism in CD4+ T cells. The Journal of Biological Chemistry. 289 (27): 18793–804. doi:10.1074/jbc.M114.554113. PMC 4081922. PMID 24847056.
  26. ↑ Sweatt AJ, Garcia-Espinosa MA, Wallin R, Hutson SM (September 2004). Branched-chain amino acids and neurotransmitter metabolism: expression of cytosolic branched-chain aminotransferase (BCATc) in the cerebellum and hippocampus. The Journal of Comparative Neurology. 477 (4): 360–70. doi:10.1002/cne.20200. PMID 15329886. S2CID 18780804.
  27. ↑ Gonda I, Bar E, Portnoy V, Lev S, Burger J, Schaffer AA, Tadmor Y, Gepstein S, Giovannoni JJ, Katzir N, Lewinsohn E (February 2010). Branched-chain and aromatic amino acid catabolism into aroma volatiles in Cucumis melo L. fruit. Journal of Experimental Botany. 61 (4): 1111–23. doi:10.1093/jxb/erp390. PMC 2826658. PMID 20065117.
  28. ↑ Maloney GS, Kochevenko A, Tieman DM, Tohge T, Krieger U, Zamir D, Taylor MG, Fernie AR, Klee HJ (July 2010). Characterization of the branched-chain amino acid aminotransferase enzyme family in tomato. Plant Physiology. 153 (3): 925–36. doi:10.1104/pp.110.154922. PMC 2899903. PMID 20435740.
  29. ↑ Engels WJ, Alting AC, Arntz MM, Gruppen H, Voragen AG, Smit G, Visser S (August 2000). Partial purification and characterization of two aminotransferases from Lactococcus lactis subsp. cremoris B78 involved in the catabolism of methionine and branched-chain amino acids. International Dairy Journal. 10 (7): 443–452. doi:10.1016/S0958-6946(00)00068-6.
  30. ↑ Santiago B, MacGilvray M, Faustoferri RC, Quivey RG (April 2012). The branched-chain amino acid aminotransferase encoded by ilvE is involved in acid tolerance in Streptococcus mutans. Journal of Bacteriology. 194 (8): 2010–9. doi:10.1128/JB.06737-11. PMC 3318461. PMID 22328677.