Ketol-Säure Reduktorisomerase

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Ketol-Säure-Isomeroreduktase (KARI) ist das zweitwichtigste Enzym im biosynthetischen Weg der BCAAs. Es kann die Produktion von 2-Acetyl-2-hydroxybuttersäure zu 2,3-Dihydroxy-3-methylpentansäure katalysieren, um Valin oder Isoleucin zu synthetisieren, und von 2-Acetyl-2-hydroxybuttersäure zu 2,3-Dihydroxy-3-methylpentansäure, um Leucin zu synthetisieren.

Gen

KARI wird durch das ilv C-Gen kodiert und in zwei Typen basierend auf dem Molekulargewicht unterteilt, wobei Typ I KARI aus etwa 340 Aminosäureresten besteht und hauptsächlich in einigen anderen Bakterien wie Mycobacterium tuberculosis, Pseudomonas aeruginosa und Zuckerrüben-Nachtschatten vorkommt. KARI zeigt einen hohen Grad an Stereospezifität für das S-Isomer seines Substrats, und seine katalytische Reaktion besteht aus zwei Schritten: Zuerst ein Alkylmigrationsprozess, bei dem die Methyl- oder Ethylgruppe an der C2-Position zur C3-Position wandert, um ein α-Keto-β-hydroxy-Säure-Intermediate zu erzeugen; dann ein Reduktionsprozess, bei dem NAD(P)H verwendet wird, um die Keto-Säure zum C2-Hydroxylprodukt zu reduzieren.

KARI-Proteinstruktur und aktive Stelle Studie

Die aktive Stelle von KARI befindet sich an der Schnittstelle von zwei strukturellen Domänen, N und C, die zwei Mg²⁺ und NADPH als essentielle Cofaktoren binden. n besteht aus acht Ketten, von denen jede aus einem β-Faltblatt mit α-Helices auf beiden Seiten besteht, um eine Nukleotid-bindende Rothman-Faltung zu bilden, C besteht aus acht α-Helices und bildet eine verknotete Struktur. Die Analyse der MtKARI-Kristallstruktur zeigte, dass es in Lösung als Dimer existiert und dass diese dimerische Struktur seine aktive Stelle bildet. Die aktive Stelle besteht aus der N-Strukturdomain einer Untereinheit des Dimer und die aktive Stelle wird durch die N- und C-Domänen einer Untereinheit des Dimer und die C-Domäne der anderen Untereinheit gebildet, was auch bei anderen Typ I KARI beobachtet wird.

Eigenschaften

Neben der Beteiligung von NAD(P)H an der katalytischen Reaktion von KARI sind Metallionen ebenfalls sehr wichtige Cofaktoren. Es wurde gezeigt, dass KARI Mg²⁺ als Cofaktor bevorzugt und eine strikte Mg²⁺-Abhängigkeit in der Alkylmigrationsphase seiner katalytischen Reaktion zeigt. Als eines der wichtigeren Enzyme im biosynthetischen Weg der BCAAs wurde KARI auch als Ziel für das Screening effektiver antibakterieller Medikamente und Herbizide verwendet. IpOHA, ein Übergangszustandsanalogon der KARI-katalysierten Substrat-zu-Produkt-Umwandlung, wurde nicht nur als Herbizid untersucht, sondern zeigt auch eine gewisse antimikrobielle Aktivität.

KARI-Inhibitor

Angesichts des Erfolgs von AHAS als antimikrobielles sowie Herbizid-Ziel könnten auch andere Enzyme im BCAA-Weg großes Potenzial haben. 2-Dimethylphosphono-2-hydroxyessigsäure (Hoe704) und N-Isopropyloxalylisohydroxamsäure (IpOHA), als Übergangszustandsanaloga in der Umwandlung von KARI-katalysierten Substraten zu Produkten, können die KARI-Aktivität effektiv hemmen und sind potente und irreversible kompetitive Inhibitoren. Der Hemmungsmechanismus besteht darin, dass das Intermediate-Analogon an die aktive Stelle des Enzyms bindet, was zur Bildung eines irreversiblen Enzym-Inhibitor-Komplexes führt und das Enzym zeitabhängig inaktiviert.