Tryptofaan is een essentieel aminozuur dat wordt gebruikt om eiwitten te bouwen en is een biosynthetische voorloper van talrijke neurologisch actieve verbindingen. Het is waarschijnlijk het meest bekend als het startpunt voor de biosynthese van serotonine en melatonine. Terwijl de generatie van deze twee samenstellingen de meeste aandacht in het verleden kan hebben gekregen, heeft een minder bekende weg voor tryptofaanmetabolisme, de kynurenineweg, onlangs gestaag toenemende onderzoeksactiviteit gezien. Het belang van de kynurenineweg, die voor het katabolisme van ~99% van ingenomen tryptofaan verantwoordelijk is die niet voor eiwitsynthese wordt gebruikt , werd oorspronkelijk toegeschreven aan zijn rol in de biogenese van nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), nochtans drijven de duidelijke banden met neurodegenerative ziekten, tumorproliferatie, ontsteking, en depressie momenteel de studie van de kynurenineweg.
de kynurenineroute werd voor het eerst ontdekt in 1853 door de detectie van uitgescheiden producten van dieren die tryptofaan kregen. In de daaropvolgende eeuw werd veel werk verricht om de chemische transformaties, betrokken enzymen en mogelijke ziekterelaties van de kynurenineweg vast te stellen. In de jaren 1960, werden de componentenzymen van de kynurenineweg volledig opgehelderd door het moeizame werk van het extraheren van elk componentenzym van zoogdierweefsel, respectievelijk, en het bepalen van hun overeenkomstige activiteiten .
naarmate het verband tussen de kynurenineroute en depressieve stoornis duidelijker werd, werd de serotoninehypothese voorgesteld waarin werd gesteld dat bij activering de kynurenineroute de beschikbare tryptofaan zou afleiden van serotonineproductie naar verder katabolisme . Hoewel de correlatie tussen kynurenine pathway activiteit en ontsteking in veel gevallen is bevestigd, heeft de serotonine hypothese niet overleefd in zijn oorspronkelijke vorm. Er werd aangetoond dat de activering van de kynurenineroute door interferon-α (IFN-α) de tryptofaanconcentratie in het ruggenmergvocht niet significant verlaagde, hoewel het wel leidde tot ontsteking door de hoeveelheden metabolieten van de kynurenineroute, namelijk kynurenine, kynureninezuur en chinolinezuur (QUIN), concentraties in het cerebrospinale vocht te verhogen . Ontsteking veroorzaakt door activering van de kynurenineroute is ook betrokken bij de behandelingsresistentie van sommige patiënten die lijden aan depressie en bij patiënten die chemotherapie ondergaan .
dankzij moderne moleculair biologische methoden en de ontdekking van analoge kynurenineroutes in bacteriële species konden de individuele enzymen van de kynurenineroute onlangs op moleculair niveau worden bestudeerd. De eerste en snelheidsbeperkende stap van de kynurenine route wordt gemaakt door tryptofaan 2,3-dioxygenase (TDO) of indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO). Deze heme-afhankelijke enzymen voegen moleculaire zuurstof toe over de 2-3 binding van de indoolgroep van tryptofaan en waren voorheen bekend als tryptofaanpyrrolase. TDO is een homotetramer met rigide substraatselectiviteit die meestal in hepatisch weefsel wordt gevonden, terwijl IDO een monomeer is met veel meer ontspannen specificiteit die in de meeste weefsels wordt gevonden. In het bijzonder, wordt IDO meer en meer erkend als een verbinding tussen het immuunsysteem en de kynurenineweg, aangezien het door cytokines wordt geactiveerd en sommige anti-inflammatory gevolgen schijnt te hebben. Het is ook betrokken bij de tumor-onderdrukkende capaciteiten van interferon-γ . Vanuit een mechanistisch enzymologisch oogpunt, zijn deze enzymen uniek, aangezien zij de enige bekende dioxygenases zijn die een heemprothetische groep als cofactor gebruiken. Voorts is IDO het enige enzym, buiten superoxide dismutase, dat superoxide als substraat kan gebruiken, implicerend het in oxydatieve spanningsreactie.
het product van de TDO/IDO-gekatalyseerde reactie, N-formylkynurenine, wordt vervolgens gehydrolyseerd tot kynurenine. Afhankelijk van het weefseltype, gaat kynurenine of zijn weg naar de tricarboxylic zure cyclus verder of wordt omgezet in kynurenic zuur in microglial cellen of astrocyten, respectievelijk . Kynurenine en zijn directe metabolites verschijnen niet aan om het even welke directe gevolgen op neuronen; nochtans bezitten zij diverse Pro – en anti-oxidant activiteiten. Als alternatief antagoneert kynurenzuur de glutamaatreceptoren competitief en remt het de α7 nicotineacetylcholinereceptor niet competitief .
verder langs de kynurenineroute wordt een tweede dioxygenase, 3-hydroxyantranilzuur dioxygenase (HAO), gebruikt om de resterende aromatische ring te openen die ooit tot tryptofaan behoorde. HAO is een type III, niet-heme, ijzer-afhankelijke, extradiol dioxygenase . Hoewel niet zo uniek als TDO/IDO, HAO heeft nog steeds interessante functies. Met name Hao ‘ s uit bacteriële bronnen bevatten vaak een extra, rubredoxine-achtig metaalbindend domein dat niet nodig is voor katalyse. Dit domein wordt niet gevonden in Hao ’s uit dierlijke bronnen, waardoor de vraag naar de functie en betekenis van zo’ n extra metaalbindend domein overblijft. HAO splijt de ring van 3-hydroxyantranilzuur, een bekende generator van vrije radicalen, tot α-amino-β-carboxymuconaat-ε-semialdehyde, een verbinding die niet-enzymatisch vervalt tot de nad-precursor, chinolinezuur (QUIN). De hernieuwde interesse in de kynurenine route is voor een groot deel te wijten aan de ontdekking dat QUIN selectief N-methyl-D-aspartaat (NMDA) receptoren kan activeren . Hoewel de basale niveaus van QUIN niet zodanig zijn dat ze NMDA-receptoren aanzienlijk kunnen prikkelen, kan de activering van de kynurenineweg leiden tot gevaarlijke QUIN-niveaus, die worden geassocieerd met tal van neurologische aandoeningen: de ziekte van Alzheimer, angst, depressie, epilepsie, neurocognitieve aandoeningen die samenhangen met het humaan immunodeficiëntievirus en de ziekte van Huntington . De generatie van QUIN wordt verondersteld om de belangrijkste schakel tussen de kynurenineweg en ontstekingsreactie te zijn .
het volgende enzym in de kynurenineroute vertoont niet alleen unieke chemie, maar is ook het belangrijkste vertakkingspunt tussen een niet-enzymatische vorming van de excitotoxische nad-precursor QUIN en verder metabolisme. Dit enzym is α-amino-β-carboxymuconaat-ε-semialdehyde decarboxylase (ACMSD), het enige bekende metaalafhankelijke, zuurstofonafhankelijke decarboxylase. De kristalstructuur van dit enzym werd onlangs opgelost, en het biochemische werk heeft een potentieel mechanisme getoond om de activiteit van dit enzym te regelen. Er werd aangetoond dat alleen de homo-dimeer vorm van ACMSD in staat is om de decarboxylatie van het substraat te katalyseren, waardoor de deur wordt geopend naar de mogelijkheid dat modulatie van de quaternaire structuur van ACMSD het dominante reguleringsmechanisme voor dit enzym kan zijn . Een ander interessant kenmerk van ACMSD is dat zowel het substraat als het product instabiel zijn en elektrocycli ondergaan naar respectievelijk QUIN en picolinezuur. Hoewel er tal van studies zijn die de schadelijke effecten van chinolinezuur aantonen, is de literatuur over picolinezuur veel schaarser en is er nog geen consensus bereikt over de fysiologische rollen en effecten ervan . Het lijkt een metabolische doodlopende weg voor de kynurenine route te vertegenwoordigen, aangezien het wordt uitgescheiden.
ten minste in de in vitro studies is het substraat van ACMSD een orde van grootte stabieler dan het product, wat de natuurlijke vraag oproept hoe de snelheid van deze twee niet-enzymatische vervalreacties in de cel wordt gecontroleerd. Het beantwoorden van deze vraag vereist gedetailleerde kennis van het enzymatische mechanisme van HAO, ACMSD en het volgende enzym in de route, α-aminomuconaat-ε-semialdehyde dehydrogenase (AMSDH). De structuur en het mechanisme van ACMSD zijn relatief goed bestudeerd, en de structuur van HAO is gedefinieerd . Er was echter weinig bekend over dit derde enzym, dat vermoedelijk de verdeling tussen verder metabolisme en picolinezuur-vorming regelt, tot zeer onlangs, toen de kristalstructuur werd opgelost en katalytisch mechanisme werd voorgesteld . AMSDH is een lid van de superfamilie van aldehydedehydrogenase en de eerste energie die stap van de weg van kynurenine oogsten, die zijn semialdehydesubstraat oxideren terwijl het verminderen van NAD.
samenvattend kan worden gesteld dat de primaire metabole route voor tryptofaankatabolisme bij zoogdieren neuroactieve verbindingen produceert, waarvan er één, chinolinezuur, zowel de biosynthetische voorloper is van nad-productie als een agonist van NMDA-receptoren. Bij verschillende neurodegeneratieve aandoeningen is een verhoging van de concentraties van chinolinezuur in cerebrospinale vloeistoffen waargenomen, en injectie met exogeen chinolinezuur kan neurodegeneratie bij muizen veroorzaken. De kynurenineroute kan in de hersenen worden gestimuleerd door behandeling met IFN-α. Deze bevindingen wijzen op de productie van chinolinezuur via de kynurenineroute als een factor die bijdraagt aan neurodegeneratieve ziekten die in verband worden gebracht met ontstekingen.
kortom, de kynurenineroute is de belangrijkste route voor tryptofaankatabolisme in zoogdiercellen, en veel van de tussenproducten en producten van deze route zijn betrokken bij talrijke neurologische aandoeningen. Als zodanig, is de kynurenineweg een Rijp doel voor drugontdekking, vooral aangezien zo weinig met betrekking tot zijn regelgeving bekend is. De kynurenineweg heeft ook één of andere verbinding met tumorgroei en proliferatie door één van zijn initiërende enzymen, IDO, en er zijn Ido inhibitors momenteel in Fase II klinische proeven . In de afgelopen jaren, heeft de kynurenineweg verhoogde aandacht van clinici, biologen, en biochemici ontvangen aangezien zijn medische relevantie duidelijker werd. Zelfs met de vernieuwde inspanning, is er nog een gebrek aan begrip van hoe de productie van misschien wel de meest schadelijke metaboliet, QUIN, wordt gecontroleerd en het werk moet worden gedaan om zijn productie therapeutisch te richten. Er is momenteel behoefte aan onderzoek naar de mechanismen waardoor de kynurenine route wordt gereguleerd, met name de enzymen die betrokken zijn bij de vorming van QUIN.
