Transcetolasa

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 no oxidativa de las pentosas fosfato, el cofactor difosfato de tiamina 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 de 3 carbonos gliceraldehído-3-P . 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 difosfato de tiamina, de un fragmento de dos carbonos desde la D-xilulosa-5-P a la aldosa eritrosa-4-fosfato , dando lugar a fructosa-6-fosfato y gliceraldehído-3-P. De nuevo, la misma reacción ocurre en el ciclo de Calvin, pero en sentido contrario. Además, en el ciclo de Calvin, esta es la primera reacción catalizada por la transcetolasa, y no la segunda.

La transcetolasa conecta la vía de las pentosas fosfato con la glucólisis , aportando el exceso de fosfatos de azúcar a las principales vías metabólicas de los carbohidratos en los mamíferos. Su presencia es necesaria para la producción de NADPH , especialmente en tejidos que participan activamente en biosíntesis, como la síntesis de ácidos grasos por el hígado y las glándulas mamarias , y para la síntesis de esteroides por el 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 por los queratocitos del estroma y las células epiteliales, y se considera una de las cristalinas corneales . ^{[ 2 ]}

La transcetolasa se expresa ampliamente en muchos organismos, incluyendo bacterias, plantas y mamíferos. Los siguientes genes humanos codifican proteínas con actividad transcetolasa:

• TKT (transcetolasa)
• TKTL1 (proteína 1 similar a la transcetolasa)
• TKTL2 (proteína 2 similar a la transcetolasa)

La entrada al sitio activo de esta enzima está formada principalmente por cadenas laterales de arginina , histidina , serina y aspartato , con una cadena lateral de glutamato que desempeña un papel secundario. Estas cadenas laterales, específicamente Arg359, Arg528, His469 y Ser386, se conservan en cada enzima transcetolasa e interactúan con el grupo fosfato de los sustratos donador y aceptor . Debido a la estrechez del canal del sustrato, los sustratos donador y aceptor no pueden unirse simultáneamente. Además, al unirse al sitio activo, los sustratos adoptan una conformación ligeramente extendida para adaptarse a este canal estrecho.

Aunque esta enzima puede unirse a numerosos tipos de sustratos, como monosacáridos fosforilados y no fosforilados , incluyendo los ceto y aldosacáridos fructosa , ribosa , etc., tiene una alta especificidad para la estereoconfiguración de los grupos hidroxilo de los azúcares. Estos grupos hidroxilo en C-3 y C-4 del donador cetosa deben estar en la configuración D- treo para corresponder correctamente a las posiciones C-1 y C-2 en el aceptor aldosa . ^{[ 3 ]} Además, estabilizan el sustrato en el sitio activo al interactuar con los residuos Asp477, His30 y His263. La alteración de esta configuración, tanto la ubicación de los grupos hidroxilo como su estereoquímica, alteraría consecuentemente el enlace de hidrógeno entre los residuos y los sustratos, causando 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 que se escinda un segmento de 2 carbonos de la fructosa 6-fosfato . ^{[ 4 ]} El cofactor necesario para que ocurra este paso es el pirofosfato de tiamina (TPP). La unión de TPP a la enzima no produce un 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 vía, His263 se utiliza como donador de protones para el complejo sustrato aceptor-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 participan en su desprotonación . Específicamente, las cadenas laterales de His 263 y His 30 forman enlaces de hidrógeno con el extremo aldehído del sustrato, que se encuentra en la parte más profunda del canal del sustrato, y Asp477 forma enlaces de hidrógeno con el grupo hidroxilo alfa del sustrato, donde actúa para unirlo eficazmente y verificar la estereoquímica correcta. También se cree que Asp477 podría tener importantes efectos catalíticos debido a su orientación en el centro del sitio activo y sus interacciones con el grupo hidroxilo alfa del sustrato. Glu418, ubicado en la región más profunda del sitio activo, desempeña un papel fundamental en la estabilización del cofactor TPP. Específicamente, participa en la abstracción de protones asistida por el cofactor de la molécula del sustrato. ^{[ 3 ]}

El grupo fosfato del sustrato también desempeña un papel importante en la estabilización del sustrato al entrar en el sitio activo. Las fuertes interacciones iónicas y polares entre este grupo fosfato y los residuos Arg359, Arg528, His469 y Ser386 trabajan en conjunto para estabilizar el sustrato mediante la formación de enlaces de hidrógeno 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 del TPP en el anillo de tiazolio. Este carbanión se une al carbonilo del sustrato donador, rompiendo así el enlace entre C-2 y C-3. Este fragmento ceto permanece unido covalentemente al carbono C-2 del TPP. El sustrato donador se libera y el sustrato aceptor entra en el sitio activo, donde el fragmento, unido al intermedio α-β-dihidroxietil tiamina difosfato, se transfiere al aceptor. ^{[ 3 ]}

También se han realizado experimentos para evaluar el efecto de sustituir la alanina por los aminoácidos Arg359, Arg528 e His469 en la entrada del sitio activo, los cuales interactúan con el grupo fosfato del sustrato. Esta sustitución genera una enzima mutante con actividad catalítica reducida. ^{[ 3 ]}

La actividad de la transcetolasa disminuye debido a la deficiencia de tiamina, generalmente causada por la desnutrición . Varias enfermedades están asociadas con la deficiencia de tiamina, incluyendo el beriberi , la enfermedad de los ganglios basales sensible a la biotina y la tiamina (BTBGD) , ^{[ 5 ]} el síndrome de Wernicke-Korsakoff y otras (ver tiamina para una lista completa).

En el síndrome de Wernicke-Korsakoff, si bien no se han podido demostrar mutaciones, ^{[ 6 ]} existe un indicio de que la deficiencia de tiamina conduce al síndrome de Wernicke-Korsakoff únicamente en aquellos cuya transcetolasa tiene una afinidad reducida por la tiamina. ^{[ 7 ]} De esta manera, la actividad de la transcetolasa se ve muy afectada 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 del desarrollo y defectos cardíacos congénitos), la enfermedad es causada por una mutación autosómica recesiva hereditaria en el gen TKT. Es un trastorno raro del metabolismo de las pentosas fosfato con síntomas que se manifiestan en la infancia, incluyendo retraso del desarrollo y discapacidad intelectual, retraso o ausencia del habla, estatura baja y defectos cardíacos congénitos. Otras características reportadas incluyen hipotonía, hiperactividad, comportamiento estereotipado, anomalías oftalmológicas, deficiencia auditiva y dismorfia facial variable, entre otras. El análisis de laboratorio muestra niveles elevados de polioles plasmáticos y urinarios (eritritol, arabitol y ribitol) y de fosfatos de azúcar urinarios (ribosa-5-fosfato y xilulosa/ribulosa-5-fosfato). ^{[ 9 ]} "Los extractos celulares de los 5 pacientes mostraron una actividad de TKT ausente o baja. Boyle et al. (2016) sugirieron que la baja actividad de TKT en algunos tejidos, posiblemente debido a 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 de la transcetolasa de glóbulos rojos ( también conocida como ETK, por transcetolasa eritrocitaria ) ^{[ 11 ]} se reduce en la deficiencia de tiamina (vitamina B1 ₎ y puede utilizarse en el diagnóstico de la encefalopatía de Wernicke y otros síndromes de deficiencia de B1 _si el diagnóstico es dudoso. ^{[ 12 ]} Además de la actividad enzimática basal (que puede ser normal incluso en estados de deficiencia), la aceleración de la actividad enzimática tras la adición de pirofosfato de tiamina puede ser diagnóstica de deficiencia de tiamina (0-15% normal, 15-25% deficiencia, >25% deficiencia grave). ^{[ 13 ]}