Il triptofano è un aminoacido essenziale che viene utilizzato per costruire proteine ed è un precursore biosintetico di numerosi composti neurologicamente attivi. È probabilmente più noto come il punto di partenza per la biosintesi della serotonina e della melatonina. Mentre la generazione di questi due composti potrebbe aver raccolto la massima attenzione in passato, una via meno nota per il metabolismo del triptofano, la via della chinurenina, ha recentemente visto aumentare costantemente l’attività di ricerca. L’importanza della via della chinurenina , che rappresenta il catabolismo di ~99% del triptofano ingerito non utilizzato per la sintesi proteica, è stata originariamente attribuita al suo ruolo nella biogenesi della nicotinamide adenina dinucleotide (NAD), tuttavia i legami apparenti con malattie neurodegenerative, proliferazione tumorale, infiammazione e depressione stanno attualmente guidando lo studio della via della chinurenina.
La via della chinurenina è stata scoperta per la prima volta nel 1853 attraverso il rilevamento di prodotti escreti da animali nutriti con triptofano. Nel secolo successivo, è stato eseguito molto lavoro per stabilire le trasformazioni chimiche, gli enzimi coinvolti e le possibili relazioni di malattia della via della chinurenina. Negli anni ‘ 60, gli enzimi componenti della via della chinurenina furono completamente chiariti attraverso il laborioso lavoro di estrazione di ciascun enzima componente dal tessuto dei mammiferi, rispettivamente, e di determinazione delle loro attività corrispondenti .
Poiché il legame tra la via della chinurenina e il disturbo depressivo maggiore è diventato più evidente, è stata proposta l’ipotesi della serotonina che afferma che all’attivazione, la via della chinurenina devierebbe il triptofano disponibile dalla produzione di serotonina verso un ulteriore catabolismo . Sebbene la correlazione tra l’attività della via della chinurenina e l’infiammazione sia stata confermata in molti casi, l’ipotesi della serotonina non è sopravvissuta nella sua forma originale. È stato dimostrato che l’attivazione della via della chinurenina da parte dell’interferone-α (IFN-α) non ha ridotto significativamente la concentrazione di triptofano nel liquido spinale cerebrale, sebbene abbia portato all’infiammazione aumentando le quantità di metaboliti della via della chinurenina, vale a dire chinurenina, acido chinurenico e acido chinolinico (QUIN), concentrazioni nel liquido cerebrospinale . L’infiammazione causata dall’attivazione della via della chinurenina è stata anche implicata nella resistenza al trattamento di alcuni pazienti affetti da depressione e con pazienti sottoposti a chemioterapia .
Grazie ai moderni metodi biologici molecolari, nonché alla scoperta di analoghe vie chinureniniche nelle specie batteriche , i singoli enzimi della via chinurenina sono stati recentemente studiati a livello molecolare. Il primo passo e limitante della via della chinurenina è costituito dalla triptofano 2,3-diossigenasi (TDO) o dall’indoleamina 2,3-diossigenasi (IDO). Questi enzimi eme-dipendenti inseriscono ossigeno molecolare attraverso il legame 2-3 della frazione indole del triptofano ed erano precedentemente noti come triptofano pirrolasi. Il TDO è un omotetramero con selettività rigida del substrato che si trova principalmente nel tessuto epatico, mentre l’IDO è un monomero con specificità molto più rilassata che si trova nella maggior parte dei tessuti. In particolare, l’IDO è sempre più riconosciuto come un collegamento tra il sistema immunitario e la via della chinurenina, poiché è attivato dalle citochine e sembra avere alcuni effetti anti-infiammatori. È anche implicato nelle capacità soppressive del tumore dell’interferone-γ . Da un punto di vista enzimologico meccanicistico, questi enzimi sono unici, in quanto sono le uniche diossigenasi conosciute che impiegano un gruppo protesico eme come cofattore. Inoltre, l’IDO è l’unico enzima, diverso dalla superossido dismutasi, che può utilizzare il superossido come substrato, implicandolo nella risposta allo stress ossidativo.
Il prodotto della reazione TDO/IDO-catalizzata, N-formilchinurenina, viene quindi idrolizzato in chinurenina. A seconda del tipo di tessuto, la chinurenina continua la sua via verso il ciclo dell’acido tricarbossilico o viene trasformata in acido chinurenico in cellule microgliali o astrociti, rispettivamente . La chinurenina e i suoi metaboliti immediati non sembrano avere effetti diretti sui neuroni; tuttavia possiedono varie attività pro-e anti-ossidanti. In alternativa, l’acido chinurenico antagonizza competitivamente i recettori del glutammato e inibisce in modo non competitivo il recettore nicotinico dell’acetilcolina α7 .
Più in basso nella via della chinurenina, una seconda diossigenasi, la diossigenasi dell’acido 3-idrossiantranilico (HAO), viene utilizzata per aprire l’anello aromatico rimanente che un tempo apparteneva al triptofano. HAO è un tipo III, non eme, ferro-dipendente, extradiol diossigenasi . Anche se non unico come TDO / IDO, HAO ha ancora caratteristiche interessanti. In particolare, gli HAO provenienti da fonti batteriche contengono spesso un dominio di legame metallico extra, simile alla rubredossina, che non è necessario per la catalisi. Questo dominio non si trova in HAO da fonti animali, lasciando la domanda sulla funzione e il significato di un tale dominio di legame metallico extra. HAO fende l’anello dell’acido 3-idrossiantranilico, un noto generatore di radicali liberi, per creare α-ammino-β-carbossimuconato-ε-semialdeide, un composto che decade non enzimaticamente al precursore NAD, acido chinolinico (QUIN). Il rinnovato interesse per la via della chinurenina è dovuto in gran parte alla scoperta che QUIN può attivare selettivamente i recettori N-metil-D-aspartato (NMDA). Sebbene i livelli basali di QUIN non siano tali da eccitare significativamente i recettori NMDA, l’attivazione della via della chinurenina può portare a pericolosi livelli di QUIN, che sono associati a numerose malattie neurologiche: morbo di Alzheimer, ansia, depressione, epilessia, disturbi neurocognitivi associati al virus dell’immunodeficienza umana e malattia di Huntington . Si ritiene che la generazione di QUIN sia il principale collegamento tra la via della chinurenina e la risposta infiammatoria .
Il prossimo enzima nella via della chinurenina non solo presenta una chimica unica, ma è anche il principale punto di ramificazione tra una formazione non enzimatica del precursore eccitotossico NAD, QUIN e ulteriore metabolismo. Questo enzima è α-ammino-β-carbossimuconato-ε-semialdeide decarbossilasi (ACMSD), l’unica decarbossilasi nota dipendente dal metallo, indipendente dall’ossigeno. La struttura cristallina a raggi X di questo enzima è stata recentemente risolta e il lavoro biochimico ha mostrato un potenziale meccanismo per regolare l’attività di questo enzima. È stato dimostrato che solo la forma homo-dimero di ACMSD è in grado di catalizzare la decarbossilazione del substrato, aprendo la porta alla possibilità che la modulazione della struttura quaternaria di ACMSD possa essere il meccanismo regolatore dominante per questo enzima . Un’altra caratteristica interessante di ACMSD è che sia il suo substrato che il suo prodotto sono instabili e subiranno elettrociclizzazioni a QUIN e acido picolinico, rispettivamente. Sebbene ci siano una vasta gamma di studi che mostrano gli effetti deleteri dell’acido chinolinico, la letteratura sull’acido picolinico è molto più scarsa e non è stato ancora raggiunto alcun consenso sui suoi ruoli ed effetti fisiologici . Sembra rappresentare un vicolo cieco metabolico per la via della chinurenina, poiché viene escreta.
Almeno negli studi in vitro, il substrato di ACMSD è un ordine di grandezza più stabile del suo prodotto , il che solleva la questione naturale di come i tassi di queste due reazioni di decadimento non enzimatico siano controllati nella cellula. Rispondere a questa domanda richiederà una conoscenza dettagliata del meccanismo enzimatico di HAO, ACMSD e del successivo enzima nella via, α-aminomuconato-ε-semialdeide deidrogenasi (AMSDH). La struttura e il meccanismo di ACMSD sono relativamente ben studiati e la struttura di HAO è definita . Tuttavia, poco si sapeva di questo terzo enzima, che presumibilmente controlla il partizionamento tra ulteriore metabolismo e formazione di acido picolinico, fino a poco tempo fa, quando la struttura cristallina è stata risolta e il meccanismo catalitico proposto . AMSDH è un membro della superfamiglia dell’aldeide deidrogenasi e la prima fase di raccolta di energia della via della chinurenina, ossidando il suo substrato semialdeidico riducendo il NAD.
Per riassumere, la via metabolica primaria per il catabolismo del triptofano nei mammiferi produce composti neuroattivi, uno dei quali, l’acido chinolinico, è sia il precursore biosintetico della produzione di NAD che un agonista dei recettori NMDA. L’innalzamento delle concentrazioni di acido chinolinico nei fluidi cerebrospinali è stato osservato in diverse malattie neurodegenerative e l’iniezione di acido chinolinico esogeno può causare neurodegenerazione nei topi. La via della chinurenina può essere stimolata nel cervello mediante trattamento con IFN-α. Questi risultati indicano la produzione di acido chinolinico da parte della via chinurenina come fattore che contribuisce alle malattie neurodegenerative associate all’infiammazione.
In conclusione, la via della chinurenina è la via principale per il catabolismo del triptofano nelle cellule di mammifero e molti degli intermedi e dei prodotti di questa via sono implicati in numerose malattie neurologiche. Come tale, la via di kynurenine è un obiettivo maturo per la scoperta della droga, particolarmente poiché così poco è conosciuto per quanto riguarda la sua regolazione. La via della chinurenina ha anche una certa connessione alla crescita e alla proliferazione del tumore attraverso uno dei suoi enzimi inizianti, IDO, e ci sono inibitori IDO attualmente in studi clinici di fase II . Negli ultimi anni, la via della chinurenina ha ricevuto maggiore attenzione da parte di medici, biologi e biochimici poiché la sua rilevanza medica è diventata più evidente. Anche con lo sforzo rinnovato, c’è ancora una mancanza di comprensione di come la produzione del metabolita probabilmente più dannoso, QUIN, è controllata e il lavoro deve essere fatto per mirare alla sua produzione terapeuticamente. C’è un bisogno corrente delle indagini sui meccanismi da cui la via di kynurenine è regolata, particolarmente gli enzimi in questione nella formazione di QUIN.
