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支链α-酮酸脱氢酶复合物

支链α-酮酸脱氢酶复合物（branched-chain α-ketoacid dehydrogenase complex，BCKDC）是一种在线粒体内膜中找到的酶之多次单元复合物(multi-subunit complex)。[1] 这种酶复合物催化具支链的短链α-酮酸的氧化脱羧反应。BCKDC是α-酮酸脱氢酶复合体家族内的成员，包括丙酮酸脱氢酶复合体(pyruvate dehydrogenase)和α-酮戊二酸脱氢酶复合体(α-ketoglutarate dehydrogenase)，是三羧酸循环具有重要功能的酶。

辅助因子

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这个复合物的需要下列5个辅因子(cofactor)：

 
图1: 支链α-酮酸脱氢酶复合物所催化的全反应

生物上的功能

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在动物组织中，BCKDC催化不可逆步骤[2] ，分解代谢的支链氨基酸，即L-异亮氨酸，L-缬氨酸和L-亮氨酸及其衍生物（分别是L-α-酮-β-甲基戊酸酯，α-酮异戊酸和α-酮异己酸盐）。[3][4][5] 在细菌中，这种酶参与的支链、长链脂肪酸的合成；[6]在植物中，这种酶是参与合成支链、长链的烃。

BCKDC催化的分解代谢之全反应示于图1。

结构

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BCKDC的酶催化机制很大程度上取决于这个大型酶复合体的精细结构。这种酶复合物是由三个催化次单元组成: α-酮酸脱氢酶(alpha-ketoacid dehydrogenase)（E1部分），二氢硫辛酸转乙酰基酶(dihydrolipoyl transacylase) （E2部分），和二氢硫辛酰胺脱氢酶(dihydrolipoamide dehydrogenase)（E3部分）。在人体中的BCKDC核心中，有24个E2部分以八面体对称排列。[7]24 E2次单元聚合物分两部分，12个E1α2β2四聚体和6个E3同二聚体以非共价方式结合。除了E1/E3-结合区域，在E2次单元上，有2个其他重要的结构区域：

（i）以该蛋白质的氨基末端部分的硫辛酰-轴承结构域(lipoyl-bearing domain)

（ii）在蛋白质羧基端的内核区域(inner-core domain)。

 
图2:这是硫辛酰基区域如何摆荡的概图。注意，硫辛酰区域是以共价结合于E2BCKDC的次单元上，但可自由在E1、E2和E3次单元间摆荡。由"机制"一节提到，硫辛酰基可自由在BCKDC的三个活性区位上自由摆动，在催化酵素复合物的活性上扮演了重要角色。[8]

内核区域是由两个区间片段（连接子）连接到E2次单元的其他两个区域。[9]内核区域对形成酶复合物的低聚核(oligomeric core)和催化酰基转移酶的反应是必须的（由“机制”一节中所示）。[10] E2的硫辛酰区域可借由上述提到连结子的弹性构像，使其在组装好的BCKDC上之E1、E2和E3次单元的活性区位间自由摆动。（参照图2）[11][12]因此就功能及结构方面来说，E2部分在BCKDC催化的整个反应扮演着重要的角色。

每个子单元的作用如下

E1次单元

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E1采用硫胺素焦磷酸（TPP）作为催化的辅助因子。 E1催化α-酮酸的脱羧反应和后来的硫辛酰结构部分，以共价结合于E2次单元的还原反应（另一催化辅因子）。

E2次单元

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E2催化酰基(acyl group)从硫辛酰部分转至的辅酶A（化学计量的辅因子，stoichiometric cofactor）。[13]

E3次单元

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在E33部分是黄素蛋白(flavoprotein)，且其可作为氧化剂并利用FAD（催化辅因子）重新氧化还原E2次单元上的硫辛酰硫部分(lipoyl sulfur residues)；然后FAD将这些质子和电子转移到NAD+（化学计量的辅因子，stoichiometric cofactor）以完成反应循环。

 
图3: α-酮异戊酸结合TPP，然后进行脱羧
 
图4: 将2 -甲基丙醇-TPP被氧化形成乙酰基，且同时被转移到E2中的硫辛酰辅酶。注意，TPP重新生成。
 
图5:酰基转移到辅酶A
 
图6:FAD辅酶氧化硫辛酰部分

机制

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如前面提到的，在哺乳类动物体内的BCKDC主要功能是，催化支链氨基酸分解代谢反应中的不可逆步骤。然而，BCKDC具有相对广泛的特异性，在比较比例(comparable rates)及对支链氨基酸的底物之Km值相似情况下，也可氧化4-甲硫基-2-氧代丁酸(4-methylthio-2-oxobutyrate)和2-氧代丁酸(2-oxobutyrate)。[14]BCKDC也可氧化丙酮酸(pyruvate)，但这种缓慢速度下，副反应只小具生理意义。[15][16]

其反应机理如下所示。[17] 请注意，任何一种支链 α-酮酸可以作为起始原料；在这个例子中，α-酮异戊酸任意地被选作为BCKDC的底物。

注意：步骤1和2在E1区域发生。

步骤1: α-酮异戊酸结合TPP，然后进行脱羧反应(decarboxylated)，适当的箭头推动机构示于图3。


步骤2：将2-甲基丙醇-TPP(2-methylpropanol-TPP)被氧化形成乙酰基(acetyl group)而被同时转移到E2中的硫辛酰辅酶。注意，TPP被再生。适当的箭头推动机构示于图4。


注：酰化硫辛酰臂(acylated lipoyl arm)现在离开E1，并荡到E2的活性区位，在此处发生第3步骤。

步骤3：酰基(Acyl group)转移到辅酶A(CoA)。适当的箭头推动机构示于图5。


注：被还原硫辛酰臂现在荡到在E3的活性区位，此处步骤4和5发生。

步骤4：将硫辛酰区域被FAD辅酶氧化，如图所示于图6。

步骤5： FADH2再氧化成FAD，产生NADH：NADH::FADH2 + NAD+ --> FAD + NADH + H+

疾病相关

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缺乏任何这种复酶复合物以或复合物的抑制，会使支链氨基酸和它们有害衍生物在体内积聚。这些积累会产生有甜味的排泄物（如耳垢和尿液），及病理学常称为枫糖尿症。[18]

在原发性胆汁性肝硬化中，[一种急性肝功能衰竭(acute liver failure)]，这种酶是自身抗原(autoantigen)，这些抗体(antibodies)会辨识氧化的蛋白质，导致炎症免疫反应，有些发炎反应可由麸质过敏解释。[19] 其他线粒体自身抗原，可由抗线粒体抗体(anti-mitochondrial antibodies)所辨识的抗原,包括丙酮酸脱氢酶(pyruvate dehydrogenase)和支链酮戊二酸脱氢酶(oxoglutarate dehydrogenase)。

参考

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  1. ^ Indo I, Kitano A, Endo F, Akaboshi I, Matsuda, I. 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. 1987, 80 (1): 63–70. PMID 3597778. doi:10.1172/JCI113064. 
  2. ^ Yeaman SJ. The 2-oxo acid dehydrogenase complexes: recent advances.. Biochem J. 1989, 257 (3): 625–632. PMID 2649080. 
  3. ^ Broquist HP, Trupin JS. Amino Acid Metabolism. Annual Review of Biochemistry. 1966, 35: 231–247. doi:10.1146/annurev.bi.35.070166.001311. 
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  5. ^ Namba Y, Yoshizawa K, Ejima A, Hayashi T, Kaneda T. 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. 1969, 244 (16): 4437–4447. PMID 4308861. 
  6. ^ Lennarz WJ; et al. The role of isoleucine in the biosynthesis of branched-chain fatty acids by micrococcus lysodeikticus.. Biochemical and Biophysical Research Communications. 1961, 6 (2): 1112–116. PMID 14463994. doi:10.1016/0006-291X(61)90395-3. 
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  17. ^ Berg, Jeremy M., John L. Tymoczko, Lubert Stryer, and Lubert Stryer. Biochemistry. 6th ed. New York: W.H. Freeman, 2007. 478-79. Print.
  18. ^ Podebrad F, Heil M, Reichert S, Mosandl A, Sewell AC, Böhles H. 4,5-dimethyl-3-hydroxy-25H-furanone (sotolone)--the odour of maple syrup urine disease. Journal of Inherited Metabolic Disease. April 1999, 22 (2): 107–114. PMID 10234605. doi:10.1023/A:1005433516026. 
  19. ^ Leung PS, Rossaro L, Davis PA; et al. Antimitochondrial antibodies in acute liver failure: Implications for primary biliary cirrhosis. Hepatology. 2007, 46 (5): 1436–42. PMID 17657817. doi:10.1002/hep.21828. 

外部链接

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