Введение
Транскетолаза (сокращенно TK) — это фермент, кодируемый геном TKT у человека. Он участвует как в пентозофосфатном пути у всех организмов, так и в цикле Кальвина фотосинтеза. Транскетолаза катализирует две важные реакции, протекающие в противоположных направлениях в этих двух путях. В первой реакции неокислительного пентозофосфатного пути кофактор тиаминдифосфат принимает 2-углеродный фрагмент от 5-углеродной кетозы (D-ксилулозы-5-фосфата), а затем переносит этот фрагмент на 5-углеродную альдозу (D-рибозу-5-фосфат) с образованием 7-углеродной кетозы (седогептулозы-7-фосфата). Отщепление двух углеродов от D-ксилулозы-5-фосфата приводит к образованию 3-углеродной альдозы глицеральдегид-3-фосфата. В цикле Кальвина транскетолаза катализирует обратную реакцию — превращение седогептулозы-7-фосфата и глицеральдегид-3-фосфата в пентозы, альдозу D-рибозу-5-фосфат и кетозу D-ксилулозу-5-фосфат.
Transketolase (abbreviated as TK) is an enzyme that, in humans, is encoded by the TKT gene. It participates in both the pentose phosphate pathway in all organisms and the Calvin cycle of photosynthesis. Transketolase catalyzes two important reactions, which operate in opposite directions in these two pathways. In the first reaction of the non oxidative pentose phosphate pathway, the cofactor thiamine diphosphate accepts a 2 carbon fragment from a 5 carbon ketose (D xylulose 5 P), then transfers this fragment to a 5 carbon aldose (D ribose 5 P) to form a 7 carbon ketose (sedoheptulose 7 P). The abstraction of two carbons from D xylulose 5 P yields the 3 carbon aldose glyceraldehyde 3 P. In the Calvin cycle, transketolase catalyzes the reverse reaction, the conversion of sedoheptulose 7 P and glyceraldehyde 3 P to pentoses, the aldose D ribose 5 P and the ketose D xylulose 5 P.
The second reaction catalyzed by transketolase in the pentose phosphate pathway involves the same thiamine diphosphate mediated transfer of a 2 carbon fragment from D xylulose 5 P to the aldose erythrose 4 phosphate, affording fructose 6 phosphate and glyceraldehyde 3 P. Again, in the Calvin cycle exactly the same reaction occurs, but in the opposite direction. Moreover, in the Calvin cycle this is the first reaction catalyzed by transketolase, rather than the second. In mammals, transketolase connects the pentose phosphate pathway to glycolysis, feeding excess sugar phosphates into the main carbohydrate metabolic pathways. Its presence is necessary for the production of NADPH, especially in tissues actively engaged in biosyntheses, such as fatty acid synthesis by the liver and mammary glands, and for steroid synthesis by the liver and adrenal glands. Thiamine diphosphate is an essential cofactor, along with calcium. Transketolase is abundantly expressed in the mammalian cornea by the stromal keratocytes and epithelial cells and is reputed to be one of the corneal crystallins.
Вторая реакция, катализируемая транскетолазой в пентозофосфатном пути, включает ту же самую тиаминдифосфат-зависимую передачу 2-углеродного фрагмента от D-ксилулозы-5-фосфата к альдозе эритрозе-4-фосфату, в результате чего образуются фруктозо-6-фосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Опять же, в цикле Кальвина происходит точно такая же реакция, но в противоположном направлении. Более того, в цикле Кальвина это первая реакция, катализируемая транскетолазой, а не вторая. У млекопитающих транскетолаза связывает пентозофосфатный путь с гликолизом, направляя избыток фосфатов сахаров в основные пути углеводного метаболизма. Ее присутствие необходимо для производства NADPH, особенно в тканях, активно участвующих в биосинтезе, таких как синтез жирных кислот печенью и молочными железами, а также синтез стероидов печенью и надпочечниками. Тиаминдифосфат является важным кофактором наряду с кальцием. Транскетолаза обильно экспрессируется в роговице млекопитающих стромальными кератоцитами и эпителиальными клетками и считается одним из кристаллинов роговицы.
Transketolase (abbreviated as TK) is an enzyme that, in humans, is encoded by the TKT gene. It participates in both the pentose phosphate pathway in all organisms and the Calvin cycle of photosynthesis. Transketolase catalyzes two important reactions, which operate in opposite directions in these two pathways. In the first reaction of the non oxidative pentose phosphate pathway, the cofactor thiamine diphosphate accepts a 2 carbon fragment from a 5 carbon ketose (D xylulose 5 P), then transfers this fragment to a 5 carbon aldose (D ribose 5 P) to form a 7 carbon ketose (sedoheptulose 7 P). The abstraction of two carbons from D xylulose 5 P yields the 3 carbon aldose glyceraldehyde 3 P. In the Calvin cycle, transketolase catalyzes the reverse reaction, the conversion of sedoheptulose 7 P and glyceraldehyde 3 P to pentoses, the aldose D ribose 5 P and the ketose D xylulose 5 P.
The second reaction catalyzed by transketolase in the pentose phosphate pathway involves the same thiamine diphosphate mediated transfer of a 2 carbon fragment from D xylulose 5 P to the aldose erythrose 4 phosphate, affording fructose 6 phosphate and glyceraldehyde 3 P. Again, in the Calvin cycle exactly the same reaction occurs, but in the opposite direction. Moreover, in the Calvin cycle this is the first reaction catalyzed by transketolase, rather than the second. In mammals, transketolase connects the pentose phosphate pathway to glycolysis, feeding excess sugar phosphates into the main carbohydrate metabolic pathways. Its presence is necessary for the production of NADPH, especially in tissues actively engaged in biosyntheses, such as fatty acid synthesis by the liver and mammary glands, and for steroid synthesis by the liver and adrenal glands. Thiamine diphosphate is an essential cofactor, along with calcium. Transketolase is abundantly expressed in the mammalian cornea by the stromal keratocytes and epithelial cells and is reputed to be one of the corneal crystallins.
Структура
Вход в активное место этого фермента состоит главным образом из нескольких боковых цепей аргинина, гистидина, серина и аспартата, при этом боковая цепь глутамата играет вторичную роль. Эти боковые цепи, конкретно Arg359, Arg528, His469 и Ser386, консервативны для каждого фермента транскетолазы и взаимодействуют с фосфатной группой донорных и акцепторных субстратов. Поскольку канал субстрата очень узкий, донорный и акцепторный субстраты не могут связываться одновременно. Кроме того, субстраты принимают слегка растянутую конформацию при связывании в активном центре, чтобы соответствовать этому узкому каналу. Хотя этот фермент способен связывать различные типы субстратов, такие как фосфорилированные и нефосфорилированные моносахариды, включая кето- и альдосахара – фруктозу, рибозу и другие, он обладает высокой специфичностью к стереоконфигурации гидроксильных групп сахаров. Эти гидроксильные группы в положениях C3 и C4 донора кетозы должны быть в D-трео-конфигурации, чтобы правильно соответствовать положениям C1 и C2 акцептора альдозы. Они также стабилизируют субстрат в активном центре, взаимодействуя с остатками Asp477, His30 и His263. Нарушение этой конфигурации, будь то расположение гидроксильных групп или их стереохимия, приведет к изменению водородных связей между остатками и субстратами, что снизит аффинность к субстратам. В первой половине этого пути His263 используется для эффективного отщепления протона гидроксильной группы в положении C3, что позволяет отщепить двух-углеродный фрагмент от фруктозо-6-фосфата. Кофактором, необходимым для этого этапа, является тиаминпирофосфат (TPP). Связывание TPP с ферментом не вызывает значительных конформационных изменений в ферменте; вместо этого фермент имеет два гибких фрагмента в активном центре, которые обеспечивают доступность и возможность связывания TPP. Синдром Вернике-Корсакова и другие (подробный перечень см. в статье о тиамине). При синдроме Вернике-Корсакова, хотя мутации продемонстрировать не удалось, есть основания полагать, что дефицит тиамина приводит к развитию синдрома Вернике-Корсакова только у тех, у кого транскетолаза имеет пониженное сродство к тиамину. Таким образом, активность транскетолазы значительно снижается, и, как следствие, весь пентозофосфатный путь ингибируется. При дефиците транскетолазы, также известном как SDDHD (низкий рост, задержка развития и врожденные пороки сердца), заболевание вызвано унаследованной аутосомно-рецессивной мутацией в гене TKT. Это редкое нарушение метаболизма пентозофосфатов, симптомы которого проявляются в младенчестве и включают задержку развития и интеллектуальную недостаточность, задержку или отсутствие речи, низкий рост и врожденные пороки сердца. К дополнительным проявлениям относятся гипотония, гиперактивность, стереотипное поведение, офтальмологические аномалии, нарушение слуха и вариабельный дисморфизм лица. Лабораторный анализ показывает повышенный уровень полиолов в плазме и моче (эритритол, арабитол и рибитол) и фосфатов сахаров в моче (рибоза-5-фосфат и ксилулоза/рибулоза-5-фосфат). "Экстракты клеток всех 5 пациентов показали отсутствие или низкую остаточную активность TKT. Бойл и соавторы (2016) предположили, что низкая активность TKT в некоторых тканях, возможно, обусловленная другим белком с той же функцией, может объяснить, почему дефицит TKT совместим с жизнью, несмотря на то, что TKT является важным ферментом."
Диагностическое использование
Активность транскетолазы эритроцитов снижается при дефиците тиамина (витамина В1) и может быть использована в диагностике энцефалопатии Вернике и других синдромов дефицита В1, если диагноз вызывает сомнения. Помимо базовой активности фермента (которая может быть нормальной даже при состояниях дефицита), ускорение активности фермента после добавления тиаминпирофосфата может указывать на дефицит тиамина (0–15% – норма, 15–25% – дефицит, >25% – выраженный дефицит).