tryptofan je esenciální aminokyselina, která se používá k tvorbě bílkovin a je biosyntetickým prekurzorem mnoha neurologicky aktivních sloučenin. To je pravděpodobně nejvíce dobře známý jako výchozí bod pro biosyntézu serotoninu a melatoninu. Zatímco generace těchto dvou sloučenin mohla v minulosti získat největší pozornost, méně známá cesta metabolismu tryptofanu, cesta kynureninu, nedávno zaznamenala stále rostoucí výzkumnou aktivitu. Význam kynureninové dráhy, která představuje katabolismus ~99% požitého tryptofanu, který se nepoužívá pro syntézu proteinů, byl původně připisován jeho úloze v biogenezi nikotinamidadenin dinukleotidu (NAD), avšak zjevné vazby s neurodegenerativními chorobami, proliferací nádorů, zánětem a depresí v současné době řídí studium kynureninové dráhy.
kynureninová dráha byla poprvé objevena v roce 1853 detekcí vylučovaných produktů ze zvířat krmených tryptofanem. V následujícím století, bylo provedeno mnoho práce na stanovení chemických transformací, zapojené enzymy, a možné vztahy onemocnění kynureninové dráhy. V šedesátých letech byly komponentní enzymy kynureninové dráhy plně objasněny namáhavou prací extrakce každého komponentního enzymu ze savčí tkáně a stanovení jejich odpovídajících aktivit .
vzhledem k tomu, že se spojitost mezi kynureninovou cestou a depresivní poruchou stala zjevnější, byla navržena hypotéza serotoninu, která uvádí, že po aktivaci by kynureninová cesta odklonila dostupný tryptofan od produkce serotoninu k dalšímu katabolismu . Ačkoli korelace mezi aktivitou kynureninové dráhy a zánětem byla v mnoha případech potvrzena, hypotéza serotoninu nepřežila ve své původní podobě. Bylo prokázáno, že aktivace kynureninové dráhy interferonem-α (IFN-α) významně nesnížila koncentraci tryptofanu v mozkové míšní tekutině, i když vedla k zánětu zvýšením množství metabolitů kynureninové dráhy, jmenovitě kynurenin, kyselina kynurenová a kyselina chinolinová (QUIN), koncentrace v mozkomíšním moku . Zánět způsobený aktivací dráhy kynureninu byl také zapojen do rezistence na léčbu u některých pacientů trpících depresí a také u pacientů podstupujících chemoterapii .
díky moderním molekulárně biologickým metodám a objevu analogických kynureninových drah u bakteriálních druhů byly jednotlivé enzymy kynureninové dráhy nedávno studovány na molekulární úrovni. Prvním a omezujícím krokem kynureninové dráhy je tryptofan 2,3-dioxygenáza (TDO) nebo indoleamin 2,3-dioxygenáza (IDO). Tyto enzymy závislé na hemu vkládají molekulární kyslík přes 2-3 vazby indolové části tryptofanu a byly dříve známé jako tryptofan pyrroláza. TDO je homotetramer s tuhou selektivitou substrátu, který se nachází většinou v jaterní tkáni, zatímco IDO je monomer s mnohem uvolněnější specificitou, která se nachází ve většině tkání. Zejména je IDO stále více uznáváno jako spojení mezi imunitním systémem a cestou kynureninu, protože je aktivováno cytokiny a zdá se, že má některé protizánětlivé účinky. To je také zapojeno do nádorových supresivních schopností interferonu-γ . Z hlediska mechanistické enzymologie jsou tyto enzymy jedinečné, protože jsou jedinými známými dioxygenázami, které používají hem protetickou skupinu jako kofaktor. Kromě toho je IDO jediným enzymem, jiným než superoxiddismutázou, který může využít superoxid jako substrát a zapojit jej do reakce na oxidační stres.
produkt reakce katalyzované TDO / IDO, N-formylkynurenin, se potom hydrolyzuje na kynurenin. V závislosti na typu tkáně kynurenin buď pokračuje svou cestou směrem k cyklu kyseliny trikarboxylové, nebo je transformován na kyselinu kynurenovou v mikrogliálních buňkách nebo astrocytech . Zdá se, že kynurenin a jeho okamžité metabolity nemají žádné přímé účinky na neurony; mají však různé pro – a antioxidační aktivity. Alternativně kyselina kynurenová kompetitivně antagonizuje glutamátové receptory a nekompetitivně inhibuje α7 nikotinový acetylcholinový receptor .
dále po kynureninové dráze se používá druhá dioxygenáza, dioxygenáza kyseliny 3-hydroxyanthranilové (HAO), k otevření zbývajícího aromatického kruhu, který kdysi patřil tryptofanu. HAO je extradioldioxygenáza typu III, non-hem, závislá na železe . Ačkoli to není tak jedinečné jako TDO/IDO, HAO má stále zajímavé funkce. Zejména, HAOs z bakteriálních zdrojů často obsahují extra, rubredoxinová kovová vazebná doména, která není nezbytná pro katalýzu. Tato doména se v HAOs nenachází ze zvířecích zdrojů, ponechává otázku, zda je funkce a význam takové extra kovové vazebné domény. HAO štěpí kruh kyseliny 3-hydroxyanthranilové, známého generátoru volných radikálů, za vzniku α-amino-β-karboxymukonátu-ε-semialdehydu, sloučeniny, která se neenzymaticky rozkládá na prekurzor NAD, kyselinu chinolinovou (QUIN). Obnovený zájem o kynureninovou dráhu je z velké části způsoben objevem, že QUIN může selektivně aktivovat receptory N-methyl-D-aspartátu (NMDA). Ačkoli bazální hladiny QUINU nejsou takové, aby mohly významně vzrušovat NMDA receptory, aktivace kynureninové dráhy může vést k nebezpečným hladinám QUINU, které jsou spojeny s mnoha neurologickými onemocněními: Alzheimerovou chorobou, úzkostí, depresí, epilepsií, neurokognitivními poruchami spojenými s virem lidské imunodeficience a Huntingtonovou chorobou . Generace QUINU je považována za hlavní vazbu mezi kynureninovou cestou a zánětlivou odpovědí .
další enzym v kynureninové dráze vykazuje nejen jedinečnou chemii, ale je také hlavním větvením mezi neenzymatickou tvorbou excitotoxického nad prekurzoru, QUINU a dalším metabolismem. Tento enzym je α-amino-β-karboxymukonát-ε-semialdehyd dekarboxyláza (ACMSD), jediná známá dekarboxyláza závislá na kovu, nezávislá na kyslíku. Rentgenová krystalová struktura tohoto enzymu byla nedávno vyřešena a biochemická práce ukázala potenciální mechanismus pro regulaci aktivity tohoto enzymu. Bylo prokázáno, že pouze homo-dimerová forma ACMSD je schopna katalyzovat dekarboxylaci substrátu, což otevírá dveře možnosti, že modulace kvartérní struktury ACMSD může být dominantním regulačním mechanismem pro tento enzym . Dalším zajímavým rysem ACMSD je to, že jak jeho substrát, tak jeho produkt jsou nestabilní a podstoupí elektrocyklizaci na QUIN a kyselinu pikolinovou. Ačkoli existuje nepřeberné množství studií, které ukazují škodlivé účinky kyseliny chinolinové, literatura o kyselině pikolinové je mnohem řídčí, a dosud nebylo dosaženo konsensu, pokud jde o její fyziologické role a účinky . Zdá se, že představuje metabolickou slepou uličku pro kynureninovou cestu, protože se vylučuje.
alespoň ve studiích in vitro je substrát ACMSD řádově stabilnější než jeho produkt, což vyvolává přirozenou otázku, jak jsou v buňce řízeny rychlosti těchto dvou neenzymatických rozpadových reakcí. Odpověď na tuto otázku bude vyžadovat podrobné znalosti enzymatického mechanismu HAO, ACMSD a dalšího enzymu v cestě, α-aminomukonát-ε-semialdehyddehydrogenázy (AMSDH). Struktura a mechanismus ACMSD jsou relativně dobře studovány a je definována struktura HAO . O tomto třetím enzymu, který pravděpodobně řídí rozdělení mezi dalším metabolismem a tvorbou kyseliny pikolinové, však bylo známo jen málo, až do nedávné doby, kdy byla krystalická struktura vyřešena, a katalytický mechanismus navržen . AMSDH je členem nadčeledi aldehyddehydrogenázy a prvním krokem sběru energie kynureninové dráhy, oxiduje jeho semialdehydový substrát a zároveň snižuje NAD.
abychom to shrnuli, primární metabolická cesta tryptofanového katabolismu u savců produkuje neuroaktivní sloučeniny, z nichž jedna, kyselina chinolinová, je jak biosyntetickým prekurzorem produkce NAD, tak agonistou NMDA receptorů. Zvýšení koncentrací kyseliny chinolinové v mozkomíšním moku bylo pozorováno u několika neurodegenerativních onemocnění a injekce exogenní kyseliny chinolinové může způsobit neurodegeneraci u myší. Kynureninová dráha může být stimulována v mozku léčbou IFN-α. Tato zjištění poukazují na produkci kyseliny chinolinové cestou kynureninu jako přispívajícího faktoru k neurodegenerativním onemocněním spojeným se zánětem.
Závěrem lze říci, že kynureninová cesta je hlavní cestou tryptofanového katabolismu v savčích buňkách a mnoho meziproduktů a produktů této cesty se podílí na mnoha neurologických onemocněních. Kynureninová dráha je jako taková zralým cílem pro objev léků, zejména proto, že je známo tak málo, pokud jde o její regulaci. Cesta kynureninu má také určitou souvislost s růstem a proliferací nádoru prostřednictvím jednoho ze svých iniciačních enzymů, IDO, a v současné době existují inhibitory IDO v klinických studiích fáze II . V posledních letech se kynureninové dráze dostalo zvýšené pozornosti od lékařů, biologů a biochemiků, protože její lékařský význam se stal zjevnějším. I s obnoveným úsilím stále chybí pochopení toho, jak je produkce pravděpodobně nejškodlivějšího metabolitu, QUINU, kontrolována a je třeba pracovat na terapeutickém cílení jeho produkce. V současné době existuje potřeba zkoumat mechanismy, kterými je regulována cesta kynureninu, zejména enzymy podílející se na tvorbě QUINU.
