triptofanul este un aminoacid esențial care este utilizat pentru a construi proteine și este un precursor biosintetic pentru numeroși compuși activi neurologic. Este probabil cel mai bine cunoscut ca punct de plecare pentru biosinteza serotoninei și melatoninei. În timp ce generarea acestor doi compuși ar fi putut atrage cea mai mare atenție în trecut, o cale mai puțin cunoscută pentru metabolismul triptofanului, calea kynureninei, a cunoscut recent o activitate de cercetare în continuă creștere. Importanța căii kynureninei, care reprezintă catabolismul a ~99% din triptofanul ingerat care nu este utilizat pentru sinteza proteinelor , a fost atribuită inițial rolului său în biogeneza nicotinamidei adenină dinucleotidă (NAD), totuși legăturile aparente cu bolile neurodegenerative, proliferarea tumorii, inflamația și depresia conduc în prezent studiul căii kynureninei.
calea kynureninei a fost descoperită pentru prima dată în 1853 prin detectarea produselor excretate de la animalele hrănite cu triptofan. În secolul următor, s-au efectuat multe lucrări pentru a stabili transformările chimice, enzimele implicate și posibilele relații de boală ale căii kynureninei. În anii 1960, enzimele componente ale căii kynureninei au fost pe deplin elucidate prin munca laborioasă de extragere a fiecărei enzime componente din țesutul mamifer, respectiv, și determinarea activităților lor corespunzătoare .
pe măsură ce legătura dintre calea kynureninei și tulburarea depresivă majoră a devenit mai evidentă, ipoteza serotoninei a fost propusă afirmând că, la activare, calea kynureninei ar devia triptofanul disponibil departe de producția de serotonină spre catabolism suplimentar . Deși corelația dintre activitatea căii kynureninei și inflamație a fost confirmată în multe cazuri, ipoteza serotoninei nu a supraviețuit în forma sa originală. S-a demonstrat că activarea căii kynureninei de către interferon-XV (IFN-XV) nu a scăzut semnificativ concentrația de triptofan în lichidul spinal cerebral, deși a dus la inflamație prin creșterea cantităților de metaboliți ai căii kynureninei, și anume kynurenina, acidul kynurenic și acidul chinolinic (QUIN), concentrații în lichidul cefalorahidian . Inflamația cauzată de activarea căii kynureninei a fost, de asemenea, implicată în rezistența la tratament a unor pacienți care suferă de depresie, precum și a pacienților supuși chimioterapiei .
datorită metodelor biologice moleculare moderne, precum și descoperirii căilor kynurenine analoage la speciile bacteriene , enzimele individuale ale căii kynurenine au putut fi studiate recent la nivel molecular. Primul pas care limitează viteza căii kynureninei este realizat de triptofan 2,3-dioxigenază (TDO) sau indoleamin 2,3-dioxigenază (IDO). Aceste enzime dependente de heme introduc oxigen molecular peste legătura 2-3 a părții indole a triptofanului și au fost cunoscute anterior sub numele de triptofan pirolază. TDO este un homotetramer cu selectivitate rigidă a substratului care se găsește mai ales în țesutul hepatic, în timp ce IDO este un monomer cu specificitate mult mai relaxată care se găsește în majoritatea țesuturilor. În special, IDO este din ce în ce mai recunoscută ca o legătură între sistemul imunitar și calea kynureninei, deoarece este activată de citokine și pare să aibă unele efecte antiinflamatorii. Este, de asemenea, implicat în abilitățile de supresie tumorală ale interferonului-XV . Din punct de vedere enzimologic mecanic, aceste enzime sunt unice, deoarece sunt singurele dioxigenaze cunoscute care folosesc un grup protetic hem ca cofactor. Mai mult, IDO este singura enzimă, alta decât superoxid dismutaza, care poate utiliza superoxidul ca substrat, implicându-l în răspunsul la stresul oxidativ.
produsul reacției catalizate de TDO/IDO, n-formilchinurenina, este apoi hidrolizat în kynurenină. În funcție de tipul de țesut, kynurenina fie își continuă calea către ciclul acidului tricarboxilic, fie este transformată în acid kynurenic în celule microgliale sau astrocite, respectiv . Kynurenina și metaboliții săi imediați nu par a avea efecte directe asupra neuronilor; cu toate acestea, ei posedă diverse activități pro – și anti-oxidante. Alternativ, acidul kynurenic antagonizează competitiv receptorii glutamatului și inhibă necompetitiv receptorul nicotinic de acetilcolină de la XV7 .
mai jos pe calea kynureninei, o a doua dioxigenază, acidul 3-hidroxiantranilic dioxigenază (HAO), este utilizată pentru a deschide inelul aromatic rămas care a aparținut cândva triptofanului. HAO este un tip III, non-heme, dependent de fier, extradiol dioxigenază . Deși nu este la fel de unic ca TDO/IDO, HAO are încă caracteristici interesante. În special, HAOs din surse bacteriene conțin adesea un domeniu suplimentar de legare a metalelor, asemănător rubredoxinei, care nu este necesar pentru cataliză. Acest domeniu nu se găsește în HAOs din surse animale, lăsând întrebarea cu privire la funcția și semnificația unui astfel de domeniu suplimentar de legare a metalelor. HAO scindează inelul acidului 3-hidroxiantranilic, un cunoscut generator de radicali liberi, pentru a crea un compus care se descompune non-enzimatic la precursorul NAD, acidul chinolinic (QUIN). Interesul reînnoit pentru calea kynureninei se datorează în mare parte descoperirii că QUINUL poate activa selectiv receptorii N-metil-D-aspartat (NMDA). Deși nivelurile bazale ale QUIN nu sunt de așa natură încât pot excita semnificativ receptorii NMDA, activarea căii kynureninei poate duce la niveluri periculoase de QUIN, care sunt asociate cu numeroase boli neurologice: boala Alzheimer, anxietate, depresie, epilepsie, tulburări neurocognitive asociate virusului imunodeficienței umane și boala Huntington . Generarea de QUIN este considerată a fi legătura majoră dintre calea kynureninei și răspunsul inflamator .
următoarea enzimă din calea kynureninei nu numai că prezintă chimie unică, dar este, de asemenea, punctul major de ramificare între o formare non-enzimatică a precursorului nad excitotoxic, QUIN și metabolismul ulterior. Această enzimă este decarboxilaza (acmsd), singura decarboxilază dependentă de metal, independentă de oxigen. Structura cristalină cu raze X a acestei enzime a fost rezolvată recent, iar activitatea biochimică a arătat un mecanism potențial de reglare a activității acestei enzime. Sa demonstrat că numai forma homo-dimer a ACMSD este capabilă să catalizeze decarboxilarea substratului, deschizând ușa posibilității ca modularea structurii cuaternare a ACMSD să fie mecanismul dominant de reglementare pentru această enzimă . O altă caracteristică interesantă a ACMSD este că atât substratul, cât și produsul său sunt instabile și vor suferi electrociclizări la QUIN și, respectiv, la acidul picolinic. Deși există o multitudine de studii care arată efectele dăunătoare ale acidului chinolinic, literatura despre acidul picolinic este mult mai rară și nu s-a ajuns încă la un consens cu privire la rolurile și efectele sale fiziologice . Se pare că reprezintă un punct mort metabolic pentru calea kynureninei, deoarece este excretată.
cel puțin în studiile in vitro, substratul ACMSD este un ordin de mărime mai stabil decât produsul său , ceea ce ridică întrebarea firească a modului în care ratele acestor două reacții de dezintegrare non-enzimatice sunt controlate în celulă. Răspunsul la această întrebare va necesita o cunoaștere detaliată a mecanismului enzimatic al HAO, ACMSD și a următoarei enzime din cale, dehidrogenază (amsdh). Structura și mecanismul ACMSD sunt relativ bine studiate, iar structura HAO este definită . Cu toate acestea, se știa puțin despre această a treia enzimă, care probabil controlează partiționarea dintre metabolismul ulterior și formarea acidului picolinic, până foarte recent, când structura cristalină a fost rezolvată și mecanismul catalitic propus . AMSDH este un membru al superfamiliei aldehidei dehidrogenazei și prima etapă de recoltare a energiei din calea kynureninei, oxidând substratul său semialdehidic în timp ce reduce NAD.
pentru a rezuma, calea metabolică primară pentru catabolismul triptofanului la mamifere produce compuși neuroactivi, dintre care unul, acidul chinolinic, este atât precursorul biosintetic al producției de NAD, cât și un agonist al receptorilor NMDA. Creșterea concentrațiilor de acid chinolinic în fluidele cefalorahidian a fost observată în mai multe boli neurodegenerative, iar injectarea acidului chinolinic exogen poate provoca neurodegenerare la șoareci. Calea kynureninei poate fi stimulată la nivelul creierului prin tratamentul cu IFN-XV. Aceste constatări indică producerea acidului chinolinic pe calea kynureninei ca factor care contribuie la bolile neurodegenerative care sunt asociate cu inflamația.
în concluzie, calea kynureninei este calea majoră pentru catabolismul triptofanului în celulele mamiferelor și mulți dintre intermediarii și produsele acestei căi sunt implicate în numeroase boli neurologice. Ca atare, calea kynureninei este o țintă coaptă pentru descoperirea medicamentelor, mai ales că se știe atât de puțin în ceea ce privește reglementarea acesteia. Calea kynureninei are, de asemenea, o legătură cu creșterea și proliferarea tumorii printr-una dintre enzimele sale de inițiere, IDO, și există inhibitori IDO în prezent în studiile clinice de fază II . În ultimii ani, calea kynureninei a primit o atenție sporită din partea clinicienilor, biologilor și Biochimiștilor, deoarece relevanța sa medicală a devenit mai evidentă. Chiar și cu efortul reînnoit, există încă o lipsă de înțelegere a modului în care producția celui mai dăunător metabolit, QUIN, este controlată și trebuie depuse eforturi pentru a viza producția terapeutică. Există o nevoie actuală de investigații asupra mecanismelor prin care este reglementată calea kynureninei, în special enzimele implicate în formarea QUINULUI.
