Transketolase

Transketolase (disingkat TK) ialah enzim yang, pada manusia, dikodkan oleh gen TKT. Ia mengambil bahagian dalam kedua-dua laluan pentosa fosfat dalam semua organisma dan kitaran fotosintesis Calvin. Transketolase memangkinkan dua tindak balas penting yang beroperasi dalam arah yang bertentangan dalam kedua-dua laluan ini. Dalam tindak balas pertama laluan pentosa fosfat bukan pengoksidaan, kofaktor tiamina difosfat menerima serpihan 2-karbon daripada ketosa 5-karbon (D-xilulosa-5-P), kemudian memindahkan serpihan ini kepada aldosa 5-karbon (D-ribosa-5-P) untuk membentuk ketosa 7-karbon (sedoheptulosa-7-P). Pengabstrakan dua karbon daripada D-xilulosa-5-P menghasilkan 3-karbon aldosa gliseraldehid-3-P. Dalam kitaran Calvin, transketolase memangkinkan tindak balas songsang, yakni penukaran sedoheptulosa-7-P dan gliseraldehid-3-P kepada pentosa, aldosa D-ribose-5-P dan ketosa D-xilulosa-5-P.

Tindak balas kedua yang dimangkinkan oleh transketolase dalam laluan pentosa fosfat melibatkan pemindahan pengantara tiamina difosfat yang sama bagi serpihan 2-karbon daripada D-xilulosa-5-P kepada aldose eritrosa-4-fosfat, menghasilkan fruktosa 6-fosfat dan gliseraldehid-3-P. Sekali lagi, dalam kitaran Calvin, tindak balas yang sama berlaku, tetapi dalam arah yang bertentangan. Lebih-lebih lagi, dalam kitaran Calvin, ini adalah tindak balas pertama yang dimangkin oleh transketolase, bukannya yang kedua.

Dalam mamalia, transketolase menghubungkan laluan pentosa fosfat kepada glikolisis, memberi makan fosfat gula yang berlebihan ke dalam laluan metabolik karbohidrat utama. Kehadirannya diperlukan dalam penghasilan NADPH, terutamanya dalam tisu yang terlibat secara aktif dalam biosintesis, seperti sintesis asid lemak oleh hati dan kelenjar susu, dan untuk sintesis steroid oleh hati dan kelenjar adrenal. Tiamina difosfat ialah kofaktor penting bersama dengan kalsium.

Transketolase banyak diekspresikan dalam kornea mamalia oleh keratosit stroma dan sel epitelium, dan dianggap sebagai salah satu daripada kristalin kornea.

 Taburan spesies 
Transketolase secara meluas dinyatakan dalam pelbagai organisma termasuk bakteria, tumbuhan, dan mamalia. Gen manusia berikut mengekod protein dengan aktiviti transketolase:

 TKT (transketolase)
 TKTL1 (protein seperti transketolase 1)
 TKTL2 (protein seperti transketolase 2)

 Struktur 
Pintu masuk ke tapak aktif enzim ini terdiri terutamanya daripada beberapa rantai sisi arginina, histidina, serina dan aspartat, dengan rantai sisi glutamat memainkan peranan kedua. Rantai sampingan ini, khususnya Arg359, Arg528, His469, dan Ser386, dipelihara dalam setiap enzim transketolase, dan berinteraksi dengan kumpulan fosfat substrat penderma dan penerima. Oleh kerana saluran substrat sangat sempit, substrat penderma dan penerima tidak boleh diikat secara serentak. Satu lagi perkara, substrat mematuhi bentuk yang sedikit dilanjutkan apabila mengikat di tapak aktif untuk menampung saluran sempit ini.

Walaupun enzim ini dapat mengikat pelbagai jenis substrat seperti monosakarida terfosforil dan tidak terfosforil termasuk fruktosa keto dan gula aldo, ribosa, dsb., ia mempunyai kekhususan yang tinggi bagi seterokonfigurasi kumpulan hidroksil gula. Kumpulan hidroksil ini di C-3 dan C-4 penderma ketosa mesti berada dalam konfigurasi D-treo agar sepadan dengan kedudukan C-1 dan C-2 di penerima aldosa. Ia juga menstabilkan substrat dalam tapak aktif dengan berinteraksi dengan sisa Asp477, His30, dan His263. Gangguan konfigurasi ini, yakni kedua-dua peletakan kumpulan hidroksil atau stereokimia mereka, akan mengubah ikatan H antara residu dan substrat, sekaligus menyebabkan pertalian yang lebih rendah terhadap substrat.

Dalam separuh pertama laluan, His263 digunakan untuk mengabstrak proton hidroksil C3 dengan berkesan, dengan itu membolehkan segmen 2-karbon dibelah daripada fruktosa 6-fosfat. Kofaktor yang diperlukan untuk langkah ini berlaku ialah thiamina pirofosfat (TPP). Pengikatan TPP kepada enzim tidak menyebabkan perubahan konformasi yang besar kepada enzim; sebaliknya, enzim mempunyai dua gelung fleksibel di tapak aktif yang menjadikan TPP boleh diakses dan mengikat mungkin. Oleh itu, ini membolehkan tapak aktif mempunyai konformasi "tertutup" dan bukannya perubahan konformasi yang besar. Kemudian, His263 digunakan sebagai penderma proton untuk kompleks penerima substrat-TPP, yang kemudiannya boleh menjana eritrosa-4-fosfat.

Rantai sisi histidina dan aspartat digunakan untuk menstabilkan substrat dengan berkesan dalam tapak aktif dan juga mengambil bahagian dalam penyahprotonan substrat. Secara khusus, rantai sisi His263 dan His30 membentuk ikatan hidrogen di hujung aldehid substrat, yang paling dalam ke saluran substrat, dan Asp477 membentuk ikatan hidrogen dengan kumpulan alfa hidroksil pada substrat, di mana ia berfungsi dengan mengikat substrat dan memastikan stereokimia yang betul. Ia juga dianggap bahawa Asp477 boleh mempunyai kesan pemangkin yang penting oleh kerana orientasinya di tengah-tengah tapak aktif dan interaksinya dengan kumpulan alfa hidroksil substrat. Glu418 yang terletak di kawasan paling dalam di tapak aktif memainkan peranan penting dalam menstabilkan kofaktor TPP. Secara lebih spesifik, ia terlibat dalam abstraksi proton dibantu oleh kofaktor daripada molekul substrat.

Kumpulan fosfat substrat juga memainkan peranan penting dalam menstabilkan substrat apabila ia masuk ke dalam tapak aktif. Interaksi ionik dan berkutub yang ketat antara kumpulan fosfat ini dan residu Arg359, Arg528, His469, dan Ser386 secara bersama berfungsi untuk menstabilkan substrat dengan membentuk ikatan hidrogen kepada atom oksigen fosfat. Sifat ionik terdapat dalam jambatan garam yang terbentuk daripada Arg359 kepada kumpulan fosfat.

 Mekanisme 
Pemangkinan mekanisme ini dimulakan oleh deprotonasi TPP di cincin thiazolium. Karbanion ini kemudiannya mengikat kepada karbonil substrat penderma, dengan itu memutuskan ikatan antara C-2 dan C-3. Serpihan keto ini kekal terikat secara kovalen di karbon C-2 TPP. Substrat penderma kemudiannya dilepaskan, dan substrat penerima memasuki tapak aktif, di mana serpihan yang terikat pada perantaraan α-β-dihidroksietil tiamina difosfat, kemudian dipindahkan ke penerima.

alt=Mechanism of fructose-6-phosphate to xylulose-5-phosphate in transketolase active site|369x369px|Mekanisme fruktosa-6-fosfat kepada xilulosa-5-fosfat dalam tapak aktif transketolase
350x350px

Eksperimen juga telah dijalankan yang menguji kesan penggantian alanina untuk asid amino di pintu masuk ke tapak aktif, Arg359, Arg528, dan His469, yang berinteraksi dengan kumpulan fosfat substrat. Penggantian ini mencipta enzim mutan dengan aktiviti pemangkinan yang terjejas.

 Peranan dalam penyakit 
Aktiviti transketolase berkurangan dalam kekurangan tiamina, yang secara amnya disebabkan oleh kekurangan zat makanan. Beberapa penyakit dikaitkan dengan kekurangan tiamin, termasuk beriberi, penyakit ganglion basal responsif biotin-tiamina (BTBGD), sindrom Wernicke–Korsakoff dan lain-lain (lihat tiamina bagi penyenaraian komprehensif).

Dalam sindrom Wernicke-Korsakoff, walaupun tiada mutasi boleh ditunjukkan, terdapat petunjuk bahawa kekurangan tiamina membawa kepada sindrom Wernicke-Korsakoff hanya pada mereka dengan transketolase yang mempunyai pertalian rendah terhadap tiamina. Dengan cara ini, aktiviti transketolase sangat terhalang, menyebabkan keseluruhan laluan pentosa fosfat terencat.

Dalam kekurangan transketolase, juga dikenali sebagai SDDHD (perawakan pendek, kelewatan perkembangan dan kecacatan jantung kongenital), penyakit ini disebabkan oleh mutasi resesif autosom yang diwarisi dalam gen TKT. Gangguan metabolisme pentosa fosfat yang jarang berlaku dengan simptom yang ketara pada peringkat bayi termasuk kelewatan perkembangan dan ketidakupayaan intelek, kelewatan atau tiada pertuturan, perawakan pendek, dan kecacatan jantung kongenital. Ciri tambahan yang dilaporkan termasuk hipotonia, hiperaktif, tingkah laku stereotaip, keabnormalan oftalmologi, kecacatan pendengaran dan dismorfisme muka berubah-ubah, antara lain. Analisis makmal menunjukkan plasma tinggi dan poliol kencing (eritritol, arabitol dan ribitol) dan gula-fosfat kencing (ribosa-5-fosfat dan xilulosa/ribulosa-5-fosfat). "Ekstrak sel daripada kesemua 5 pesakit menunjukkan ketiadaan atau rendahnya aktiviti TKT. Boyle et al. (2016) mencadangkan bahawa aktiviti TKT yang rendah dalam sesetengah tisu, mungkin daripada protein lain dengan fungsi yang sama, mungkin menjelaskan mengapa kekurangan TKT serasi dengan kehidupan walaupun TKT ialah enzim penting."

 Penggunaan diagnostik 
Aktiviti transketolase sel darah merah berkurangan dalam kekurangan tiamina (vitamin B1), dan boleh digunakan dalam diagnosis ensefalopati Wernicke dan sindrom kekurangan B1 lain jika diagnosis diragui. Selain daripada aktiviti enzim asas (yang mungkin normal walaupun dalam keadaan kekurangan), pecutan aktiviti enzim selepas penambahan tiamina pirofosfat mungkin boleh menjadi diagnosis kekurangan tiamina (0-15% normal, kekurangan 15-25%, >25% teruk. kekurangan).

 Rujukan 

Kategori:Fotosintesis
Kategori:EC 2.2.1
Kategori:Kecacatan metabolisme karbohidrat semula jadi