Biosinteza karnitina je proces za endogenu proizvodnju L-karnitina, molekule koji je bitna za energetski metabolizam.Fraenkel, G.; Friedman, S. Carnitine. Vitam. Horm. 1957, 15, 73–118.Bremer, J. Carnitine – metabolism and functions. Physiol. Rev. 1983, 63, 1420–1480.Steiber, A.; Kerner, J.; Hoppel, C. L. Carnitine: a nutritional, biosynthetic, and functional perspective. Mol. Aspects Med. 2004, 25, 455–473. Kod ljudi i mnogih drugih životinja L-karnitin se dobija i iz hrane i biosinteze.Rebouche, C. J. Carnitine function and requirements during the life cycle. FASEB J. 1992, 6, 3379–3386.Lennon, D. L.; Shrago, E. R.; Madden, M.; Nagle, F. J.; Hanson, P. Dietary carnitine intake related to skeletal muscle and plasma carnitine concentrations in adult men and women. Am. J. Clin. Nutr. 1986, 43, 234–238. Put biosinteze karnitina je visoko konzerviran među mnogim eukariotima i nekim prokariotima.Lindstedt, G.; Lindstedt, S.; Midtvedt, T.; Tofft, M. The formation and degradation of carnitine in Pseudomonas. Biochemistry 1967, 6, 1262–1270.Vaz, F. M.; Wanders, R. J. A. Carnitine biosynthesis in mammals. Biochem. J. 2002, 361, 417–429.Strijbis, K.; Vaz, F, M.; Distel, B. Enzymology of the carnitine biosynthesis pathway. IUBMB Life 2010, 62, 357–362.
L-karnitin se biosintetizira iz Nε-trimetillizina.Hulse, J. D.; Ellis, S. R.; Henderson, L. M. Carnitine biosynthesis. β-Hydroxylation of trimethyllysine by an α-ketoglutarate-dependent mitochondrial dioxygenase. J. Biol. Chem. 1978, 253, 1654–1659. Barem četiri enzima su uključena u cjelokupni biosintetski put. Oni su Nε -trimetillizin-hidroksilaza, 3-hidroksi-Nεtrimetillizin aldolaza, 4-N-trimetilaminobutiraldehid-dehidrogenaza i γ-butirobetain hidroksilaza.
Nε -Trimetillizin hidroksilaza
Prvi enzim L-karnitin, dobijen biosintetskim putem je N ε -trimetillizin hidroksilaza, gvožđe i 2-oksoglutarat (2OG) -zavisna oksigenaza kojoj je također potreban askorbat.Vaz, F. M.; Ofman, R.; Westinga, K.; Back, J. W.; Wanders, R. J. A. Molecular and biochemical characterization of rat ε-N-trimethyllysine hydroxylase, the first enzyme of carnitine biosynthesis. J. Biol. Chem. 2001, 276, 33512–33517. Nε-trimetillizin-hidroksilaza katalizira hidroksilacijsku reakciju Nε-trimetillizina u 3-hidroksi-Nε-trimetillizin.
Sadašnja konsenzusna teorija o porijeklu Nε -trimetillizina kod sisara je da kao polaznu osnovu za biosintezu karnitina koriste lizosomsku ili proteasomsku razgradnja proteina, koji sadrže Nε -trimetillizinske ostatke.Bremer, J. Biosynthesis of carnitine in vivo. Biochim. Biophys. Acta 1961, 48, 622–624.Wolf, G.; Berger, C. R. A. Studies on the biosynthesis and turnover of carnitine. Arch. Biochem. Biophys. 1961, 92, 360–365.Paik, W. K.; Nochumson, S.; Kim, S. Carnitine biosynthesis via protein methylation. Trends Biochem. Sci. 1977, 2, 159–161. Predložena je i alternativna teorija koja uključuje endogenu nepeptidilnu biosintezu, na osnovu dokaza prikupljenih iz istraživanje o ljudskim subjektima, koja uključuje ishranu normalnih i nedovoljno hranjenih ljudi aminokiselinama lizinom.Khan-Siddiqui, L.; Bamji, M. S. Lysine-carnitine conversion in normal and undernourished adult man – suggestion of a nonpeptidyl pathway. Am. J. Clin. Nutr. 1983, 37, 93–98. Iako Nε-trimetillizinov biosintetski put uključuje Nε-trimetillizin metiltransferazu u potpunosti okarakteriziran je u gljivica, uključujući i plijesan Neurospora crassa, takav biosintetski put nikada nije pravilno okarakteriziran kod sisara ili ljudi.Rebouche, C. J.; Broquist, H. P. Carnitine biosynthesis in Neurospora crassa: enzymatic conversion of lysine to ε-N-trimethyllysine. J. Bacteriol. 1976, 126, 1207–1214. Treća teorija o porijeklu Nε-trimetillizina kod sisara uopće ne uključuje biosintezu, nego direktan unos iz biljne hrane. Tečna hromatografija visokih performansi (HPLC) potvrdila je da povrće sadrži značajnu količinu Nε-trimetillizina.Servillo, L.; Giovane, A.; Cautela, D.; Castaldo, D.; Balestrieri, M. L. Where Does Nε-Trimethyllysine for the Carnitine Biosynthesis in Mammals Come from? PLoS ONE 2014, 9, e84589.
3-Hidroksi-Nε-trimetillizin-aldolaza Drugi korak biosinteze L-karnitina zahtijeva enzim 3-hidroksi-Nε-trimetillizin aldolazu. Ovaj enzim ovisi piridoksal-fosfatnoj aldolazi, a katalizira razlaganje 3-hidroksi-Nε-trimetillizina u 4-N-trimetilaminobutiraldehid i glicin.
Stvarni identitet 3-hidroksi-Nε-trimetillizin aldolaze je neuhvatljiv i gen sisara koji kodira 3-hidroksi-Nε- trimetillizin aldolazu nije identificiran. 3-hidroksi-Nε-trimetillizin aldolazna aktivnost dokazana je i za L-treonin aldolazu i serin-hidroksimetiltransferazu,McNeil, J. B.; Flynn, J.; Tsao, N.; Monschau, N.; Stahmann, K. P.; Haynes, R. H.; McIntosh, E. M.; Pearlman, R. E. Glycine metabolism in Candida albicans: characterization of the serine hydroxymethyltransferase (SHM1, SHM2) and threonine aldolase (GLY1) genes. Yeast 2000, 16, 167–175.Schirch, L.; Peterson, D. Purification and properties of mitochondrial serine hydroxymethyltransferas. J. Biol. Chem. 1980, 255, 7801–7806. iako treba utvrditi da li je ovo glavna katalitska aktivnost ovih enzima.
4-N-trimetilaminobutiraldehid dehidrogenaza
Treći enzim u biosintezi L-karnitina je 4- N-trimetilaminobutiraldehid dehidrogenaza.Hulse, J. D.; Henderson, L. M. Carnitine biosynthesis. Purification of 4-N’-trimethylaminobutyraldehyde dehydrogenase from beef liver. J. Biol. Chem. 1980, 255, 1146–1151. 4-N-4-trimetilamoniobutiraldehid-dehidrogenaza je NAD+-ovisni enzim. Ona katalizira dhidrogenaciju 4 - N-trimetilaminobutiraldehida u gama-butirobetain.
Za razliku od 3-hidroksi- Nε-trimetillizin aldolaze, 4 -N- trimetilaminobutiraldehid dehidrogenaza je identificirana i prečišćen iz mnogih izvora, uključujući pacova.Vaz, F. M.; Fouchier, S. W.; Ofman, R. ; Sommer, M.; Wanders, R. J. A. Molecular and biochemical characterization of rat γ-trimethylaminobutyraldehyde dehydrogenase and evidence for the involvement of human aldehyde dehydrogenase 9 in carnitine biosynthesis. J. Biol. Chem. 2000, 275, 7390–7394. and Pseudomonas.Hassan, M.; Okada, M.; Ichiyanagi, T.; Mori, N. 4-N-Trimethylaminobutyraldehyde dehydrogenase: purification and characterization of an enzyme from Pseudomonas sp. 13CM. Biosci. Biotechnol. Biochem. 2008, 72, 155–162. Međutim, ljudska 4- N-trimetilaminobutiraldehid dehidrogenaza do sada nije identificirana. Postoji značajna sličnost sekvenci između 4- N- trimetilaminobutiraldehid dehidrogenaze i ljudske aldehid-dehidrogenaze aldehid 9,Lin, S. W.; Chen, J. C.; Hsu, L. C.; Hsieh, C. L.; Yoshida, A. Human γ-aminobutyraldehyde dehydrogenase (ALDH9): cDNA sequence, genomic organization, polymorphism, chromosomal localization, and tissue expression. Genomics 1996, 34, 376–380 ali pravi identitet 4-N-trimetilaminobutiraldehid dehidrogenaze tek treba utvrditi.
γ-Butirobetain hidroksilaza
Završni korak biosinteze L-karnitina je djelovanje γ-butirobetain hidroksilaze, cinkovog enzima koji je utvrđen.Vaz, F. M.; van Gool, S.; Ofman, R.; Ijlst, L.; Wanders, R. J. Carnitine Biosynthesis: Identification of the cDNA Encoding Human γ-Butyrobetaine Hydroxylase. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1998, 250, 506–510.Rigault, C.; Le Borgne, F.; Demarquoy, J. Genomic structure, alternative maturation and tissue expression of the human BBOX1 gene. Biochim. Biophys. Acta 2006, 1761, 1469–1481.Leung, I. K. H.; Krojer, T. J.; Kochan, G. T.; Henry, L.; von Delft, F.; Claridge, T. D. W.; Oppermann, U.; McDonough, M. A.; Christopher J. Schofield, Structural and mechanistic studies on γ-butyrobetaine hydroxylase. Chem. Biol. 2010, 17, 1316–1324.Tars, K.; Rumnieks, J.; Zeltins, A.; Kazaks, A.; Kotelovica, S.; Leonciks, A.; Saripo, J.; Viksna, A.; Kuka, J.; Liepinsh, E.; Dambrova, M. Crystal structure of human gamma-butyrobetaine hydroxylase. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2010, 298, 634–639.Lindstedt, G.; Lindstedt, S.; Olander, B.; Tofft, M. α-ketoglutarate and hydroxylation of γ-butyrobetaine. Biochim. Biophys. Acta 1968, 158, 503–505.Lindstedt, G.; Lindstedt, S. Cofactor requirements of γ-butyrobetaine hydroxylase from rat liver. J. Biol. Chem. 1970, 245, 4178–4186. Slično Nε-trimetillizin hidroksilazi, γ-butirobetain hidroksilaza je 2-oksoglutarat i oksigenaza-ovisna od gvožđa (II). γ-butirobetain hidroksilaza katalizira stereospecifičnu hidroksilaciju γ-butirobetaina u L-karnitin.
γ-butirobetain hidroksilaza je najviše proučavani enzim među četiri enzima na biosintetskom putu. Prečišćen je iz mnogih izvora, kao što su Pseudomonas ,Lindstedt, G.; Lindstedt, S.; Tofft, S. γ-Butyrobetaine hydroxylase from Pseudomonas sp AK 1. Biochemistry 1970, 9, 4336–4342 pacov,Lindstedt, G. Hydroxylation of γ-butyrobetaine to carnitine in rat liver. Biochemistry 1967, 6, 1271–1282.Paul, H. S.; Sekas, G.; Adibi, S. A. Carnitine biosynthesis in hepatic peroxisomes. Demonstration of γ-butyrobetaine hydroxylase activity. Eur. J. Chem. 1992, 203, 599–605.Galland, S.; Leborgne, F.; Guyonnet, D.; Clouet, P.; Demarquoy, J. Purification and characterization of the rat liver γ-butyrobetaine hydroxylase. Mol. Cell. Biochem. 1998, 178, 163–168. govedo,Kondo, A.; Blanchard, J. S.; Englard, S. Purification and properties of calf liver γ-butyrobetaine hydroxylase. Arch. Biochem. Biophys. 1981, 212, 338–346. zamorac Dunn. W. A.; Rettura, G.; Seifter, E.; Englard, S. Carnitine biosynthesis from γ-butyrobetaine and from exogenous protein-bound 6-N-trimethyl-L-lysine by the perfused guinea pig liver. J. Biol. Chem. 1984, 259, 10764–10770. i čovjek.Lindstedt, G.; Lindstedt, S.; Nordin, I. γ-Butyrobetaine hydroxylase in human kidney. Scand. J. Clin. Lab. Invest. 1982, 42, 477–485. Rekombinantna ljudska γ-butirobetain hidroksilaza također je proizvedena u Escherichia coli i bakulovirusnim sistemima.
thumb|centre|600px| Shema biosintetskog puta L-karnitina kod ljudi.
Reference
Kategorija:Biosinteza Kategorija:Biološki procesi