Biosyntéza karnitinu - Carnitine biosynthesis

Biosyntéza karnitinu je metoda pro endogenní produkci L-karnitin, molekula, která je nezbytná pro energetický metabolismus.[1][2][3][4] v lidé a mnoho dalších zvířata, L-karnitin se získává z obou strava a tím biosyntéza.[5][6] Cesta biosyntézy karnitinu je velmi vysoká konzervovaný mezi mnoha eukaryoty a nějaký prokaryoty.[7][8][9]

L-karnitin je biosyntetizován z Nε-trimethyllysin.[10] Na celkové biosyntetické cestě se podílejí alespoň čtyři enzymy. Oni jsou Nε-trimethyllysinhydroxyláza, 3-hydroxy-Nε-trimethyllysin aldoláza, 4-N-trimethylaminobutyraldehyddehydrogenáza a y-butyrobetaine hydroxyláza.

Nε-Trimetyllysinhydroxyláza

Hlavní článek: Trimethyllysindioxygenáza

První enzym L-karnitinu biosyntetická cesta je Nε-trimethyllysinhydroxyláza, an žehlička a 2-oxoglutarát (2OG) -závislá oxygenáza to také vyžaduje askorbát. [11] Nε-trimethyllysinhydroxyláza katalyzuje hydroxylace reakce Nε-trimethyllysin na 3-hydroxy-Nε-trimethyllysin.

Současná teorie konsensu o původu Nε-trimethyllysin u savců je to, že savci využívají lysozomální nebo proteazomální degradace bílkovin obsahujících Nε-trimethyllysinové zbytky jako výchozí bod pro biosyntézu karnitinu.[12][13][14] Alternativní teorie zahrnující endogenní nepeptidyl biosyntéza byl rovněž navržen na základě důkazů shromážděných od a studie zahrnující krmení normální a podvyživené lidské subjekty s aminokyselina lysin.[15] Ačkoli Nε-trimethyllysin biosyntetická cesta zahrnující Nε-trimethyllysin methyltransferáza byl plně charakterizován v houby počítaje v to Neurospora crassa, taková biosyntetická cesta nebyla nikdy správně charakterizována u savců nebo lidí.[16] Třetí teorie o původu Nε-trimethyllysin u savců vůbec nezahrnuje biosyntézu, ale zahrnuje přímý dietní příjem z rostlinných potravin.[Citace je zapotřebí ] Vysoce účinná kapalinová chromatografie (HPLC) analýza potvrdila, že zelenina obsahuje významné množství Nε-trimethyllysin.[17]

3-hydroxy-Nε-trimethyllysin aldoláza

Druhý krok biosyntézy L-karnitinu vyžaduje 3-hydroxy-Nεenzym -trimethyllysin aldoláza. 3-hydroxy-Nε-trimethyllysin aldoláza je a pyridoxal fosfát závislý aldoláza a katalyzuje štěpení 3-hydroxy-Nε-trimethyllysin na 4-N-trimethylaminobutyraldehyd a glycin.

Skutečná identita 3-hydroxy-Nε-trimethyllysin aldoláza je nepolapitelná a savčí gen kódující 3-hydroxy-Nε-trimethyllysin aldoláza nebyla identifikována. 3-hydroxy-Nε-trimethyllysin aldoláza aktivita byla prokázána u obou L-threonin aldoláza a serin hydroxymethyltransferáza,[18][19] je třeba ještě určit, zda se jedná o hlavní katalytickou aktivitu těchto enzymů.

4-N-Trimethylaminobutyraldehyddehydrogenáza

Hlavní článek: 4-trimethylamoniobutyraldehyddehydrogenáza

Třetím enzymem biosyntézy L-karnitinu je 4-N-trimethylaminobutyraldehyddehydrogenáza.[20] 4-N-trimethylaminobutyraldehyddehydrogenáza je NAD+ závislý enzym. 4-N-trimethylaminobutyraldehyddehydrogenáza katalyzuje dehydrogenace ze 4N-trimethylaminobutyraldehyd na gama-butyrobetain.

Na rozdíl od 3-hydroxy-Nε-trimethyllysin aldoláza, 4-N-trimethylaminobutyraldehyddehydrogenáza byl identifikován a purifikován z mnoha zdrojů včetně krysa[21] a Pseudomonas.[22] Avšak člověk 4-N-trimethylaminobutyraldehyddehydrogenáza dosud nebyl identifikován. Existuje značný sekvenční podobnost mezi krysou 4-N-trimethylaminobutyraldehyddehydrogenáza a lidské aldehyddehydrogenáza 9,[23] ale skutečná identita 4-N-trimethylaminobutyraldehyddehydrogenáza zbývá zjistit.

y-butyrobetaine hydroxyláza

Hlavní článek: gama-butyrobetain-dioxygenáza

Posledním krokem biosyntézy L-karnitinu je y-butyrobetaine hydroxyláza, a zinek vazebný enzym.[24][25][26][27][28][29] Jako Nε-trimethyllysinhydroxyláza, y-butyrobetaine hydroxyláza je 2-oxoglutarát a na železu závislá oxygenáza. y-butyrobetaine hydroxyláza katalyzuje stereospecifické hydroxylace γ-butyrobetainu do L-karnitin.

y-butyrobetaine hydroxyláza je nejvíce studovaný enzym mezi čtyřmi enzymy v biosyntetické dráze. Bylo očištěno z mnoha zdrojů, jako např Pseudomonas,[30] krysa,[31][32][33] kráva,[34] morče[35] a člověk.[36] Rekombinantní člověk y-butyrobetaine hydroxyláza byl také vyroben společností Escherichia coli[27] a bakuloviry[26] systémy.

Schéma popisující biosyntetickou dráhu L-karnitin u lidí.

Reference

  1. ^ Aktivace a přeprava mastných kyselin pro metabolismus pomocí karnitinové dráhy (s animací)
  2. ^ Fraenkel, G .; Friedman, S. Carnitin. Vitam. Horm. 1957, 15, 73–118.
  3. ^ Bremer, J. Carnitin - metabolismus a funkce. Physiol. Rev. 1983, 63, 1420–1480.
  4. ^ Steiber, A .; Kerner, J .; Hoppel, C. L. Carnitine: nutriční, biosyntetická a funkční perspektiva. Mol. Aspects Med. 2004, 25, 455–473.
  5. ^ Rebouche, C. J. Funkce a požadavky karnitinu během životního cyklu. FASEB J. 1992, 6, 3379–3386.
  6. ^ Lennon, D. L .; Shrago, E. R .; Madden, M .; Nagle, F. J .; Hanson, P. Dietní příjem karnitinu související s koncentracemi kosterního svalstva a plazmy u dospělých mužů a žen. Dopoledne. J. Clin. Nutr. 1986, 43, 234–238.
  7. ^ Lindstedt, G .; Lindstedt, S .; Midtvedt, T .; Tofft, M. Tvorba a degradace karnitinu v Pseudomonas. Biochemie 1967, 6, 1262–1270.
  8. ^ Vaz, F. M .; Wanders, R. J. A. biosyntéza karnitinu u savců. Biochem. J. 2002, 361, 417–429.
  9. ^ Strijbis, K .; Vaz, F, M .; Distel, B. Enzymologie dráhy biosyntézy karnitinu. IUBMB Life 2010, 62, 357–362.
  10. ^ Hulse, J. D .; Ellis, S. R .; Henderson, L. M. biosyntéza karnitinu. β-Hydroxylace trimethyllysinu mitochondriální dioxygenázou závislou na a-ketoglutarátu. J. Biol. Chem. 1978, 253, 1654–1659.
  11. ^ Vaz, F. M .; Ofman, R .; Westinga, K .; Zpět, J. W .; Wanders, R. J. A. Molekulární a biochemická charakterizace krysí ε-N-trimethyllysinhydroxyláza, první enzym biosyntézy karnitinu. J. Biol. Chem. 2001, 276, 33512–33517.
  12. ^ Bremer, J. Biosyntéza karnitinu in vivo. Biochim. Biophys. Acta 1961, 48, 622–624.
  13. ^ Wolf, G .; Berger, C. R. A. Studie o biosyntéze a obratu karnitinu. Oblouk. Biochem. Biophys. 1961, 92, 360–365.
  14. ^ Paik, W. K .; Nochumson, S .; Kim, S. Biosyntéza karnitinu prostřednictvím methylace proteinů. Trends Biochem. Sci. 1977, 2, 159–161.
  15. ^ Khan-Siddiqui, L .; Bamji, M. S. Konverze lysin-karnitinu u normálního a podvyživeného dospělého muže - návrh nepeptidylové dráhy. Dopoledne. J. Clin. Nutr. 1983, 37, 93–98.
  16. ^ Rebouche, C. J .; Broquist, H. P. Biosyntéza karnitinu v Neurospora crassa: enzymatická přeměna lysinu na ε-N-trimethyllysin. J. Bacteriol. 1976, 126, 1207–1214.
  17. ^ Servillo, L .; Giovane, A .; Cautela, D .; Castaldo, D .; Balestrieri, M. L. Where Nε- Trimethyllysin pro biosyntézu karnitinu u savců pochází? PLOS ONE 2014, 9, e84589.
  18. ^ McNeil, J. B .; Flynn, J .; Tsao, N .; Monschau, N .; Stahmann, K. P .; Haynes, R. H .; McIntosh, E. M .; Pearlman, R. E. Glycinový metabolismus u Candida albicans: charakterizace genů serin hydroxymethyltransferázy (SHM1, SHM2) a threonin aldolázy (GLY1). Droždí 2000, 16, 167–175.
  19. ^ Schirch, L .; Peterson, D. Čištění a vlastnosti mitochondriálních serinových hydroxymethyltransferas. J. Biol. Chem. 1980, 255, 7801–7806.
  20. ^ Hulse, J. D .; Henderson, L. M. biosyntéza karnitinu. Čištění 4-N‘-Trimethylaminobutyraldehyddehydrogenáza z hovězí jater. J. Biol. Chem. 1980, 255, 1146–1151.
  21. ^ Vaz, F. M .; Fouchier, S. W .; Ofman, R.; Sommer, M .; Wanders, R. J. A. Molekulární a biochemická charakterizace krysí y-trimethylaminobutyraldehyddehydrogenázy a důkazy o zapojení lidské aldehyddehydrogenázy 9 do biosyntézy karnitinu. J. Biol. Chem. 2000, 275, 7390–7394.
  22. ^ Hassan, M .; Okada, M .; Ichiyanagi, T .; Mori, N. 4-N- Trimethylaminobutyraldehyddehydrogenáza: čištění a charakterizace enzymu z Pseudomonas sp. 13 CM. Biosci. Biotechnol. Biochem. 2008, 72, 155–162.
  23. ^ Lin, S. W .; Chen, J. C .; Hsu, L. C .; Hsieh, C. L .; Yoshida, A. Lidská y-aminobutyraldehyddehydrogenáza (ALDH9): sekvence cDNA, genomová organizace, polymorfismus, chromozomální lokalizace a tkáňová exprese. Genomika 1996, 34, 376–380
  24. ^ Vaz, F. M .; van Gool, S .; Ofman, R .; Ijlst, L .; Wanders, R. J. Carnitine Biosynthesis: Identification of cDNA encoding human γ-butyrobetaine Hydroxylase. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1998, 250, 506–510.
  25. ^ Rigault, C .; Le Borgne, F .; Demarquoy, J. Genomická struktura, alternativní zrání a tkáňová exprese člověka BBOX1 gen. Biochim. Biophys. Acta 2006, 1761, 1469–1481.
  26. ^ A b Leung, I. K. H .; Krojer, T. J .; Kochan, G. T .; Henry, L .; von Delft, F .; Claridge, T. D. W .; Oppermann, U .; McDonough, M. A .; Schofield, C. J. Strukturální a mechanistické studie na γ-butyrobetaine hydroxyláze. Chem. Biol. 2010, 17, 1316–1324.
  27. ^ A b Tars, K .; Rumnieks, J .; Zeltins, A .; Kazaks, A .; Kotelovica, S .; Leonciks, A .; Saripo, J .; Viksna, A .; Kuka, J .; Liepinsh, E .; Dambrova, M. Krystalová struktura lidské gama-butyrobetain-hydroxylázy. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2010, 298, 634–639.
  28. ^ Lindstedt, G .; Lindstedt, S .; Olander, B .; Tofft, M. α-ketoglutarát a hydroxylace y-butyrobetainu. Biochim. Biophys. Acta 1968, 158, 503–505.
  29. ^ Lindstedt, G .; Lindstedt, S. Požadavky na kofaktor y-butyrobetain-hydroxylázy z potkaních jater. J. Biol. Chem. 1970, 245, 4178–4186.
  30. ^ Lindstedt, G .; Lindstedt, S .; Tofft, S. y-butyrobetaain hydroxyláza z Pseudomonas sp AK 1. Biochemie 1970, 9, 4336–4342
  31. ^ Lindstedt, G. Hydroxylace y-butyrobetainu na karnitin v játrech potkanů. Biochemie 1967, 6, 1271–1282.
  32. ^ Paul, H. S .; Sekas, G .; Adibi, S. A. Biosyntéza karnitinu v jaterních peroxisomech. Demonstrace aktivity γ-butyrobetainu hydroxylázy. Eur. J. Chem. 1992, 203, 599–605.
  33. ^ Galland, S .; Leborgne, F .; Guyonnet, D .; Clouet, P .; Demarquoy, J. Purifikace a charakterizace y-butyrobetaine hydroxylázy z potkaních jater. Mol. Buňka. Biochem. 1998, 178, 163–168.
  34. ^ Kondo, A .; Blanchard, J. S .; Englard, S. Purifikace a vlastnosti y-butyrobetaine hydroxylázy z telecích jater. Oblouk. Biochem. Biophys. 1981, 212, 338–346.
  35. ^ Dunne. W. A .; Rettura, G .; Seifter, E .; Englard, S. biosyntéza karnitinu z γ-butyrobetainu a z exogenního proteinu vázaného 6-N-trimethyl-L-lysin promytými játry morčete. J. Biol. Chem. 1984, 259, 10764–10770.
  36. ^ Lindstedt, G .; Lindstedt, S .; Nordin, I. γ-Butyrobetaine hydroxyláza v lidské ledvině. Scand. J. Clin. Laboratoř. Investovat. 1982, 42, 477–485.