Tryptofan är en essentiell aminosyra som används för att bygga protein och är en biosyntetisk föregångare till många neurologiskt aktiva föreningar. Det är förmodligen mest känt som utgångspunkten för biosyntesen av serotonin och melatonin. Medan genereringen av dessa två föreningar kan ha fått mest uppmärksamhet tidigare, har en mindre känd väg för tryptofanmetabolism, kynureninvägen, nyligen sett stadigt ökande forskningsaktivitet. Betydelsen av kynureninvägen, som står för katabolismen av ~99% av intaget tryptofan som inte används för proteinsyntes , tillskrevs ursprungligen sin roll i biogenesen av nikotinamidadenindinukleotid (NAD), men uppenbara kopplingar till neurodegenerativa sjukdomar, tumörproliferation, inflammation och depression driver för närvarande studien av kynureninvägen.
kynureninvägen upptäcktes först 1853 genom detekteringen utsöndrade produkter från djur som matades tryptofan. Under det följande århundradet utfördes mycket arbete för att fastställa kemiska omvandlingar, involverade enzymer och möjliga sjukdomsrelationer i kynureninvägen. På 1960-talet belystes komponentenzymerna i kynureninvägen fullständigt genom det mödosamma arbetet med att extrahera varje komponentenzym från däggdjursvävnad respektive bestämma deras motsvarande aktiviteter .
när länken mellan kynureninvägen och egentlig depression blev tydligare föreslogs serotoninhypotesen om att kynureninvägen vid aktivering skulle avleda tillgänglig tryptofan från serotoninproduktion mot ytterligare katabolism . Även om korrelationen mellan kynureninvägsaktivitet och inflammation har bekräftats i många fall har serotoninhypotesen inte överlevt i sin ursprungliga form. Det visade sig att kynureninvägsaktivering med interferon-sackarios (IFN-sackarios) inte signifikant sänkte tryptofankoncentrationen i cerebral spinalvätska, även om det ledde till inflammation genom att öka mängderna av kynureninvägsmetaboliter, nämligen kynurenin, kynureninsyra och kinolinsyra (QUIN), koncentrationer i cerebrospinalvätska . Inflammation orsakad av kynureninvägsaktivering har också varit inblandad i behandlingsresistensen hos vissa patienter som lider av depression såväl som hos patienter som genomgår kemoterapi .
tack vare moderna molekylärbiologiska metoder, liksom upptäckten av analoga kynureninvägar i bakteriearter , har de enskilda enzymerna i kynureninvägen nyligen kunnat studeras på molekylär nivå. Det första och hastighetsbegränsande steget i kynureninvägen görs av tryptofan 2,3-dioxygenas (TDO) eller indoleamin 2,3-dioxygenas (IDO). Dessa heme-beroende enzymer sätter in molekylärt syre över 2-3-bindningen av indoldelen av tryptofan och var tidigare kända som tryptofanpyrrolas. TDO är en homotetramer med styv substratselektivitet som främst finns i levervävnad, medan ido är en monomer med mycket mer avslappnad specificitet som finns i de flesta vävnader. I synnerhet erkänns Ido alltmer som en länk mellan immunsystemet och kynureninvägen, eftersom den aktiveras av cytokiner och verkar ha vissa antiinflammatoriska effekter. Det är också inblandat i de tumörundertryckande förmågorna hos interferon-XXL. Ur en mekanistisk enzymologisk synvinkel är dessa enzymer unika, eftersom de är de enda kända dioxygenaserna som använder en hemprotes grupp som en kofaktor. Dessutom är IDO det enda enzymet, annat än superoxiddismutas, som kan använda superoxid som ett substrat, vilket implicerar det i oxidativt stressrespons.
produkten av TDO / IDO-katalyserad reaktion, N-formylkynurenin, hydrolyseras sedan till kynurenin. Beroende på vävnadstypen fortsätter kynurenin antingen ner sin väg mot trikarboxylsyracykeln eller transformeras till kynureninsyra i mikrogliaceller respektive astrocyter . Kynurenine och dess omedelbara metaboliter verkar inte ha några direkta effekter på neuroner; men de har olika pro – och antioxidantaktiviteter. Alternativt motverkar kynureninsyra konkurrenskraftigt glutamatreceptorer och hämmar icke-konkurrenskraftigt nikotinacetylkolinreceptorn för nikotin 7 .
längre ner i kynureninvägen, ett andra dioxygenas, 3-hydroxiantranilsyradioxygenas (HAO), används för att öppna den återstående aromatiska ringen som en gång tillhörde tryptofan. HAO är en typ III, icke-heme, järnberoende, extradioldioxygenas . Även om det inte är lika unikt som TDO/ido, har HAO fortfarande intressanta funktioner. I synnerhet innehåller HAOs från bakteriekällor ofta en extra rubredoxinliknande metallbindningsdomän som inte är nödvändig för katalys. Den här domänen finns inte i HAOs från djurkällor, vilket lämnar frågan om funktionen och betydelsen av en sådan extra metallbindande domän. HAO klyver ringen av 3-hydroxiantranilsyra, en känd friradikalgenerator, för att skapa Bisexuell-amino-asiatisk-karboximukonat-asiatisk-semialdehyd, en förening som sönderfaller icke-enzymatiskt till nad-föregångaren, kinolinsyra (QUIN). Det förnyade intresset för kynureninvägen beror till stor del på upptäckten att QUIN selektivt kan aktivera N-metyl-D-aspartat (NMDA) receptorer . Även om de basala nivåerna av QUIN inte är sådana att de signifikant kan excitera NMDA-receptorer, kan aktivering av kynureninvägen leda till farliga QUINNIVÅER, som är förknippade med många neurologiska sjukdomar: Alzheimers sjukdom, ångest, depression, epilepsi, humant immunbristvirusassocierade neurokognitiva störningar och Huntingtons sjukdom . Genereringen av QUIN tros vara den viktigaste länken mellan kynureninvägen och inflammatoriskt svar .
nästa enzym i kynureninvägen uppvisar inte bara unik kemi, utan det är också den viktigaste förgreningspunkten mellan en icke-enzymatisk bildning av den excitotoxiska nad-föregångaren, QUIN och ytterligare metabolism. Detta enzym är det enda kända metallberoende, syreoberoende, dekarboxylas. Röntgenkristallstrukturen för detta enzym löstes nyligen, och biokemiskt arbete har visat en potentiell mekanism för att reglera aktiviteten hos detta enzym. Det visades att endast homo-dimerformen av ACMSD kan katalysera dekarboxyleringen av substratet, vilket öppnar dörren för möjligheten att modulering av den kvartära strukturen hos ACMSD kan vara den dominerande regleringsmekanismen för detta enzym . En annan intressant egenskap hos ACMSD är att både dess substrat och dess produkt är instabila och kommer att genomgå elektrocykliseringar till QUIN respektive pikolinsyra. Även om det finns en mängd studier som visar de skadliga effekterna av kinolinsyra, litteraturen om pikolinsyra är mycket mer gles, och ingen konsensus har ännu uppnåtts om dess fysiologiska roller och effekter . Det verkar representera en metabolisk återvändsgränd för kynureninvägen, eftersom den utsöndras.
åtminstone i in vitro-studierna är substratet av ACMSD en storleksordning stabilare än dess produkt , vilket ger upphov till den naturliga frågan om hur hastigheterna för dessa två icke-enzymatiska sönderfallsreaktioner kontrolleras i cellen. Att svara på denna fråga kommer att kräva detaljerad kunskap om den enzymatiska mekanismen för HAO, ACMSD och nästa enzym i vägen, Bisexuell-aminomukonat-Bisexuell-semialdehyddehydrogenas (AMSDH). Strukturen och mekanismen för ACMSD studeras relativt väl och strukturen för HAO definieras . Men lite var känt om detta tredje enzym, som förmodligen kontrollerar partitionen mellan ytterligare metabolism och pikolinsyrabildning, tills mycket nyligen, när kristallstrukturen löstes och katalytisk mekanism föreslogs . AMSDH är medlem i aldehyddehydrogenas-superfamiljen och det första energiskördningssteget i kynureninvägen, oxiderar dess semialdehydsubstrat samtidigt som NAD reduceras.
för att sammanfatta producerar den primära metaboliska vägen för tryptofankatabolism hos däggdjur neuroaktiva föreningar, varav en, kinolinsyra, är både den biosyntetiska föregångaren till nad-produktion och en agonist av NMDA-receptorer. Förhöjning av kinolinsyrakoncentrationer i cerebrospinalvätskor har setts i flera neurodegenerativa sjukdomar, och injektion av exogen kinolinsyra kan orsaka neurodegeneration hos möss. Kynureninvägen kan stimuleras i hjärnan genom behandling med IFN-GHz. Dessa fynd pekar på produktionen av kinolinsyra genom kynureninvägen som en bidragande faktor till neurodegenerativa sjukdomar som är associerade med inflammation.
Sammanfattningsvis är kynureninvägen den viktigaste vägen för tryptofankatabolism i däggdjursceller, och många av mellanprodukterna och produkterna i denna väg är inblandade i många neurologiska sjukdomar. Som sådan är kynureninvägen ett moget mål för läkemedelsupptäckt, särskilt eftersom så lite är känt om dess reglering. Kynureninvägen har också en viss koppling till tumörtillväxt och proliferation genom ett av dess initierande enzymer, IDO, och det finns IDO-hämmare för närvarande i kliniska fas II-studier . Under de senaste åren har kynureninvägen fått ökad uppmärksamhet från kliniker, biologer och biokemister eftersom dess medicinska relevans blev tydligare. Även med den förnyade ansträngningen finns det fortfarande en brist på förståelse för hur produktionen av förmodligen den mest skadliga metaboliten, QUIN, kontrolleras och arbete måste göras för att rikta sin produktion terapeutiskt. Det finns ett aktuellt behov av undersökningar av de mekanismer genom vilka kynureninvägen regleras, särskilt enzymerna som är involverade i QUINBILDNING.
