Ketolsäure-Reduktoisomerase

Verwandte Lektüre

Ketolsäure-Isomeroreduktase (KARI) ist das zweite zentrale Enzym im Biosyntheseweg der verzweigtkettigen Aminosäuren (BCAAs). Sie katalysiert die Umwandlung von 2-Acetolactat zu 2,3-Dihydroxyisovalerat zur Synthese von Valin bzw. von 2-Aceto-2-hydroxybuttersäure zu 2,3-Dihydroxy-3-methylpentansäure zur Synthese von Isoleucin sowie die Umwandlung von 2-Acetolactat zu 2,3-Dihydroxyisocapronat zur Synthese von Leucin.

Gen

KARI wird durch das Gen ilvC kodiert und anhand des Molekulargewichts in zwei Typen eingeteilt. Typ-I-KARI besteht aus etwa 340 Aminosäureresten und kommt vorwiegend in bestimmten Bakterien wie Mycobacterium tuberculosis und Pseudomonas aeruginosa sowie in der Zuckerrübe vor. KARI weist eine hohe Stereospezifität für das S-Isomer ihres Substrats auf. Die katalytische Reaktion verläuft in zwei Schritten: Zunächst erfolgt eine Alkylwanderung, bei der die Methyl- bzw. Ethylgruppe an der C2-Position zur C3-Position migriert und ein α-Keto-β-hydroxycarbonsäure-Intermediat entsteht; anschließend folgt ein Reduktionsschritt, bei dem unter Verwendung von NAD(P)H die Ketosäure zum C2-Hydroxylprodukt reduziert wird.

Untersuchung der KARI-Proteinstruktur und des aktiven Zentrums

Das aktive Zentrum von KARI befindet sich an der Grenzfläche zweier struktureller Domänen, N und C, die zwei Mg²⁺-Ionen und NADPH als essenzielle Kofaktoren binden. Die N-Domäne besteht aus acht Strängen, die eine β-Faltblattstruktur mit beidseitig angeordneten α-Helices bilden und so eine Nukleotidbindungsdomäne im Rossmann-Fold ausprägen. Die C-Domäne besteht aus acht α-Helices und bildet eine knotige Struktur. Die Analyse der Kristallstruktur von MtKARI zeigte, dass das Enzym in Lösung als Dimer vorliegt und dass diese dimerische Organisation das aktive Zentrum ausbildet. Das aktive Zentrum wird durch die N- und C-Domäne einer Untereinheit sowie durch die C-Domäne der zweiten Untereinheit gebildet, was auch bei anderen Typ-I-KARIs beobachtet wird.

Eigenschaften

Neben der Beteiligung von NAD(P)H an der katalytischen Reaktion von KARI sind Metallionen als Kofaktoren von wesentlicher Bedeutung. Es wurde gezeigt, dass KARI Mg²⁺ als Kofaktor bevorzugt und in der Alkylwanderungsphase der katalytischen Reaktion eine strikte Mg²⁺-Abhängigkeit aufweist. Als eines der wichtigsten Enzyme im Biosyntheseweg der BCAAs wird KARI zudem als Target für das Screening wirksamer antibakterieller Wirkstoffe und Herbizide genutzt. IpOHA, ein Übergangszustandsanalogon der von KARI katalysierten Substrat-zu-Produkt-Umsetzung, wurde nicht nur als Herbizid untersucht, sondern zeigt auch eine gewisse antimikrobielle Aktivität.

KARI-Inhibitor

Angesichts des Erfolgs von AHAS als Target für antimikrobielle Wirkstoffe sowie Herbizide besitzen auch andere Enzyme des BCAA-Stoffwechselwegs ein erhebliches Potenzial. 2-Dimethylphosphono-2-hydroxyessigsäure (Hoe704) und N-Isopropyl-oxalyl-isohydroxamsäure (IpOHA) wirken als Übergangszustandsanaloga bei der von KARI katalysierten Substrat-zu-Produkt-Umsetzung, können die KARI-Aktivität effektiv hemmen und sind potente, irreversible kompetitive Inhibitoren. Der Hemmmechanismus beruht darauf, dass das Intermediat-Analogon an das aktive Zentrum des Enzyms bindet, wodurch ein irreversibler Enzym-Inhibitor-Komplex entsteht und das Enzym zeitabhängig inaktiviert wird.