BCAA

A chemical structure diagram of leucine
лейцин
A chemical structure diagram of isoleucine
изолейцин
A chemical structure diagram of valine
валин

Аминокислоты с разветвлёнными боковыми цепями (англ. branched-chain amino acids, BCAA) — группа из трёх протеиногенных аминокислот: лейцина, изолейцина и валина[1], которые характеризуются разветвлённым строением алифатической боковой цепи. Эти аминокислоты являются незаменимыми, составляют 35 % от всех необходимых аминокислот в мышечных белках и 40 % аминокислот, необходимых млекопитающим. BCAA преимущественно метаболизируются в скелетных мышцах, а не в печени. Они играют важную роль в синтезе белка и регуляции метаболизма глюкозы, а также могут использоваться как источник энергии во время физических нагрузок.

История синтеза

Впервые эти аминокислоты были выделены из белков казеина и фибрина французским химиком Анри Браконно. В 1850-х годах немецкий химик и врач Эрнст Феликс Хоппе-Зейлер обнаружил лейцин в продуктах гидролиза белков. Позже немецкие химики Эмиль Эрленмейер и Зигмунд Габриель синтезировали лейцин и изолейцин из α-бромизовалериановой кислоты и α-бромвалериановой кислоты соответственно. Валин был выделен из яичного альбумина немецкими химиками Эмилем Фишером и Францем Эрлихом[2].

Структура боковых цепей этих аминокислот была описана Эмилем Фишером, который показал разветвлённое строение их алифатических боковых цепей. Именно благодаря этой структурной особенности лейцин, изолейцин и валин получили название «аминокислоты с разветвлёнными боковыми цепями».

Биосинтетический путь BCAA в микроорганизмах и растениях был выяснен в 1950-1960-х годах в ходе исследований с использованием меченых предшественников и мутантных штаммов бактерий и дрожжей. Было установлено, что биосинтез валина и изолейцина осуществляется одними и теми же ферментами, в то время как лейцин синтезируется из промежуточного продукта биосинтеза валина — α-кетоизовалериата.

Механизм катаболизма BCAA в тканях млекопитающих был расшифрован в 1960-1970-х годах. В ходе этих исследований были идентифицированы ключевые ферменты деградации BCAA — аминотрансфераза разветвлённых аминокислот (BCAT) и дегидрогеназный комплекс разветвлённых α-кетокислот (BCKDH).

Важную роль в изучении катаболизма BCAA сыграло открытие в 1960-х годах наследственного заболевания — болезни кленового сиропа, вызванной генетическим дефектом BCKDH[3]. Исследование патогенеза этого заболевания позволило детально изучить последовательность реакций и регуляцию катаболизма BCAA.

Биохимия

Общая информация

Валин, лейцин и изолейцин не синтезируются многоклеточными организмами. Несмотря на это, они составляют примерно 35 % незаменимых аминокислот у большинства млекопитающих.

Функциональные боковые цепи (R-группы) валина, лейцина и изолейцина разветвлены (отсюда и название BCAA), малы и гидрофобны, что делает их важными компонентами большинства белков. В совокупности эти три аминокислоты составляют около 18 % всех аминокислот и 63 % гидрофобных аминокислот в белках многих форм жизни. Молярное относительное количество BCAA друг к другу составляет примерно 1,6:2,2:1,0 Val:Leu:Ile[4].

Три BCAA обычно потребляются и метаболизируются вместе, и часто изучаются как единое целое, несмотря на различия в их биологических эффектах. Это иногда приводило к ошибочным предположениям.

Синтез

BCAA синтезируются бактериями, растениями и грибами, но не животными. Валин и изолейцин синтезируются одними и теми же ферментами, а лейцин образуется из α-кетоизовалерата[5], предшественника валина. Углероды валина и лейцина происходят из доступного пирувата, а изолейцина — из редкого треонина. Поскольку животные не синтезируют BCAA, эти пути стали мишенями для антимикробных, гербицидных и противогрибковых препаратов.

В синтезе BCAA у бактерий, растений и грибов участвуют пять ферментов:

  1. треониндегидрогеназа (для Ile);
  2. ацетогидроксикислотная синтаза;
  3. дигидроксикислотная редуктоизомераза;
  4. дигидроксикислотная дегидратаза;
  5. аминотрансфераза.

Последние четыре фермента являются общими для биосинтеза валина и изолейцина. Для синтеза лейцина из α-кетоизовалерата (предшественника валина) необходим дополнительный набор из четырёх ферментов.

Катаболизм

Все формы жизни катаболизируют BCAA похожим образом. У млекопитающих BCAA сначала подвергаются трансаминированию ферментами BCAT с образованием разветвлённых α-кетокислот (BCKA). Обычно акцептором азота служит α-кетоглутарат, образуя глутамат. Эта реакция быстрая и близка к равновесию. Есть тенденция к обратной реакции из-за разницы в Km для BCKA и BCAA, а также высокой концентрации внутриклеточного глутамата[6].

Необратимое окисление BCKA происходит в комплексе BCKDH в митохондриях. Этот комплекс похож на пируватдегидрогеназный комплекс. BCKDH катализирует окислительное декарбоксилирование с выделением CO2 и присоединением CoA к продукту. CoA удерживает промежуточные продукты в митохондриях, за исключением 3-гидроксиизобутирата в пути валина.

Комплекс BCKDH состоит из трёх компонентов: декарбоксилаза (E1), трансацилаза (E2) и дегидрогеназа (E3). Активность BCKDH регулируется фосфорилированием/дефосфорилированием. Киназа BCKDK ингибирует комплекс, а фосфатаза PP2Cm активирует его. BCKA могут подавлять BCKDK, способствуя своему окислению.

BCAT2 и BCKDH могут объединяться в метаболоны для эффективного переноса субстратов. Связывание BCAT2 и фосфорилирование BCKDK конкурируют за один участок BCKDHA.

После BCKDH катаболизм BCAA напоминает окисление жирных кислот. Реакции специфичны для каждой BCAA и происходят в митохондриальном матриксе. В итоге углероды BCAA либо выделяются как CO2, либо входят в цикл трикарбоновых кислот. Валин считается глюкогенным, лейцин — кетогенным, а изолейцин — смешанным.

Катаболические промежуточные и побочные продукты

Большинство промежуточных продуктов катаболизма BCAA остаются в митохондриях из-за присоединения CoA. Исключение — 3-гидроксиизобутират из пути валина, который может выделяться в плазму. Ацетоацетат из окисления лейцина тоже может покидать митохондрии.

Существуют и другие минорные метаболиты BCAA:

  • α-кетокислоты могут восстанавливаться до α-гидроксикислот;
  • небольшая часть α-KIC превращается в HMB[7];
  • некоторые CoA-связанные соединения могут высвобождаться как 3-гидроксикислоты;
  • промежуточные продукты окисления BCAA могут ацилировать митохондриальные ферменты.

BCAA также участвуют в синтезе уникальных липидов:

  • N-ацил-аминокислот (синтезируются ферментом PM20D1);
  • разветвлённых жирных кислот (удлинением CoA-производных BCAA);
  • нечетноцепочечных жирных кислот (из пропионил-CoA).

Млекопитающие способны синтезировать все три типа этих липидов. Они присутствуют в сыворотке в низких концентрациях, но в высоких — в первородной смазке новорождённых.

Физиология

В отличие от большинства других аминокислот, BCAA преимущественно метаболизируются в скелетных мышцах, а не в печени. Эти аминокислоты играют важную роль в синтезе белка, регуляции метаболизма глюкозы и могут служить источником энергии во время физических нагрузок.

Гомеостаз BCAA в организме поддерживается за счёт баланса между их поступлением и расходом. Основным источником BCAA является пища, хотя существует гипотеза о незначительном вкладе кишечной микробиоты в их синтез.

Метаболизм BCAA можно представить в виде двух пулов: циркулирующего и тканевого. BCAA, поступающие с пищей или высвобождающиеся при распаде белков, попадают в кровоток, откуда затем поступают в ткани для окисления или включения в состав вновь синтезируемых белков.

Концентрация BCAA в крови (приблизительно 200 мкМ валина, 100 мкМ лейцина и 60 мкМ изолейцина) поддерживается на постоянном уровне натощак и возвращается к исходным значениям в течение нескольких часов после приёма пищи, что свидетельствует о гомеостатическом контроле их баланса[8]. Основным путём расхода BCAA является окислительный катаболизм, при этом потери с мочой незначительны.

BCAA из пищи усваиваются с высокой эффективностью. Они поступают в организм преимущественно в составе белков и абсорбируются в кишечнике в основном в виде коротких пептидов, а не свободных аминокислот. После приёма белковой пищи уровень BCAA в крови повышается примерно в 2-3 раза и возвращается к исходному через 3 часа, причём кинетика абсорбции зависит от источника белка.

BCAA при различных заболеваниях

Врождённые нарушения метаболизма BCAA

Врождённые дефекты генов, кодирующих ферменты катаболизма BCAA, приводят к наследственным болезням обмена веществ, демонстрирующим важность тонкой регуляции гомеостаза BCAA:

  • Болезнь кленового сиропа (MSUD) вызвана мутациями генов, кодирующих субъединицы BCKDH. Приводит к накоплению BCAA и их кетокислот в крови и моче. При отсутствии лечения развивается тяжёлая энцефалопатия, отёк мозга и летальный исход, вероятно из-за нарушений нейротрансмиссии. Лечение — диета с ограничением BCAA. Трансплантация печени полностью устраняет симптомы.
  • Мутации в гене BCKDK, приводящие к гиперактивации BCKDH и избыточному окислению BCAA, ассоциированы с аутизмом и эпилепсией[9].
  • Мутации в транспортере LNAA (SLC7A5) вызывают снижение уровня BCAA в мозге и неврологические нарушения.

То есть как избыток, так и дефицит BCAA и их метаболитов в ЦНС приводит к дисфункции мозга, подчёркивая важность поддержания их гомеостаза.

Сахарный диабет 2-го типа

В отличие от выраженной нейротоксичности больших избытков BCAA при MSUD, последствия умеренного хронического повышения их уровня стали очевидны относительно недавно.

Повышение уровня BCAA в плазме при ожирении и инсулинорезистентности известно с 1960-х годов[10]. Современные метаболомные исследования подтвердили, что оно является сильнейшим предиктором развития диабета 2-го типа за 10 и более лет до клинических проявлений.

Генетические исследования показали, что полиморфизмы в гене фосфатазы PPM1K, регулирующей активность BCKDH, одновременно влияют на уровень BCAA в крови и на риск инсулинорезистентности. Введение избытка BCAA здоровым добровольцам ухудшает толерантность к глюкозе. У животных добавление BCAA в диету усугубляет, а ограничение их поступления улучшает инсулинорезистентность, вызванную высокожировой диетой.

Механизмы повышения уровня BCAA при диабете 2-го типа:

  1. В жировой ткани инсулинорезистентных людей и животных снижена экспрессия ферментов катаболизма BCAA. Это может быть вызвано гипоксией, стрессом ЭПР и воспалением.
  2. В печени повышен уровень киназы BCKDK, ингибирующей BCKDH. Это может быть индуцировано фруктозой через транскрипционный фактор ChREBP. Фармакологическое ингибирование BCKDK улучшает толерантность к глюкозе.
  3. В скелетных мышцах, наоборот, повышена скорость окисления ВСАА, что может компенсировать сниженный катаболизм в печени и жировой ткани.

Потенциальные механизмы, связывающие повышение BCAA с инсулинорезистентностью:

  1. Нарушение окисления BCAA в жировой ткани может ухудшать утилизацию глюкозы адипоцитами и способствовать эктопическому отложению жира.
  2. Продукты неполного окисления BCAA (ацилкарнитины, 3-гидроксиизобутират) могут вызывать липотоксичность и нарушать передачу сигнала инсулина в мышцах.
  3. Лейцин может гиперактивировать mTORC1, приводя к ингибированию инсулинового сигналинга.
  4. Конкуренция между BCAA и триптофаном за транспорт в мозг может нарушать синтез серотонина и способствовать перееданию.

Однако точные молекулярные механизмы, посредством которых изменения метаболизма BCAA в разных тканях влияют на чувствительность к инсулину, остаются неясными.

Онкологические заболевания

Поскольку ВСАА незаменимы, опухоли должны получать их из циркуляции или окружающих тканей. Изменения уровней BCAA в плазме онкологических больных описаны давно.

Современные метаболомные исследования показали, что повышенные уровни BCAA в крови на много лет опережают клинические проявления рака поджелудочной железы (РПЖ). Это может быть вызвано системным распадом белков на ранних стадиях опухолевого роста. При других типах рака такая закономерность не наблюдается. Неясно, способствует ли повышение BCAA прогрессии РПЖ или является только маркером.

При многих онкозаболеваниях изменена экспрессия ВСАТ1 — фермента, катализирующего первый этап катаболизма BCAA[11]. Повышенная экспрессия BCAT1 часто коррелирует с плохим прогнозом.

При лейкозах гиперэкспрессия ВСАТ1, наоборот, имитирует эффекты мутаций IDH, вызывая снижение уровня α-кетоглутарата и активности α-KG-зависимых диоксигеназ, регулирующих стабильность HIF1α и эпигенетические модификации.

Повышенная экспрессия ВСАТ1 при РМЖ стимулирует активность mTORC1, способствуя росту опухоли.

Таким образом, изменения экспрессии ВСАТ1 выявлены при многих типах рака и могут влиять на опухолевую прогрессию через различные механизмы, специфичные для каждой формы онкопатологии.

Сердечно-сосудистые заболевания

Повышенные уровни ВСАА и их метаболитов в плазме независимо ассоциированы с риском сердечно-сосудистых заболеваний и сердечной недостаточности (СН).

У животных с экспериментальными моделями СН наблюдаются повышенные уровни ВСАА в крови и сердечной мышце и снижение экспрессии ферментов их катаболизма в миокарде. Добавление ВСАА в пищу отягощает, а стимуляция их распада улучшает течение СН. Введение высоких доз ВСАА здоровому изолированному сердцу ухудшает сократимость и нарушает продукцию АТФ.

При этом окисление ВСАА в норме обеспечивает менее 5 % продукции АТФ в миокарде[12]. Относительный вклад нарушений катаболизма ВСАА в патогенез СН и точные молекулярные механизмы их влияния на функцию сердца остаются недостаточно исследованными. Предполагается, что высокие концентрации BCAA и BCKA в кардиомиоцитах могут вызывать следующие эффекты:

  • Лейцин может гиперактивировать mTORC1, способствуя гипертрофии и инсулинорезистентности миокарда.
  • BCAA и BCKA могут ингибировать пируватдегидрогеназу и α-кетоглутаратдегидрогеназу, нарушая образование АТФ в митохондриях.
  • Промежуточные продукты катаболизма BCAA могут накапливаться в кардиомиоцитах, вызывая липотоксичность и окислительный стресс.

Таким образом, повышение уровня BCAA в крови является фактором риска ИБС и предиктором неблагоприятных сердечно-сосудистых событий. Избыток BCAA ухудшает течение СН в экспериментальных моделях. Однако конкретные механизмы кардиотоксичности BCAA требуют дальнейшего изучения.

Примечания

  1. ↑ Хуан Ю., Чжоу М., Сунь Х., Ван Ю. Branched-chain amino acid metabolism in heart disease: an epiphenomenon or a real culprit? // Cardiovasc Res: journal. — 2011. — Vol. 90, no. 2. — P. 220—223..
  2. ↑ Encyclopædia Britannica Online.
  3. ↑ Лейцин, изолейцин, валин: биохимические основы разработки новых лекарственных средств..
  4. ↑ Броснан Дж.Т., Броснан М.Е. 2006. Аминокислоты с разветвлённой цепью: регуляция ферментов и субстратов. J. Nutr 136(1).
  5. ↑ Маккурт Дж.А., Дагглби Р.Г. 2006. Ацетогидроксикислотная синтаза и её роль в биосинтетическом пути аминокислот с разветвлённой цепью. Amino Acids..
  6. ↑ Ичихара А., Ямасаки Ю., Масудзи Х., Сато Дж. 1975. Изозимные паттерны трансаминазы аминокислот с разветвлённой цепью во время клеточной дифференцировки и канцерогенеза. В кн. Изозимы, Том 3, ред. Маркерт К.Л., стр. 875–89. Амстердам: Эльзевир.
  7. ↑ Ван Коверинг М., Ниссен С. 1992. Окисление лейцина и альфа-кетоизокапроата до бета-гидрокси-бета-метилбутирата in vivo. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab.
  8. ↑ Эверман С., Мандарино Л.Дж., Кэрролл К.К., Кацанос К.С. 2015. Эффекты острого воздействия повышенных концентраций аминокислот с разветвлённой цепью в плазме на опосредованный инсулином оборот глюкозы в плазме у здоровых молодых субъектов. PLOS ONE.
  9. ↑ Новарино Г., Эль-Фишави П., Кайсерили Х., Мегид Н.А., Скотт Е.М. и др. 2012. Мутации в BCKD-киназе приводят к потенциально излечимой форме аутизма с эпилепсией. Science.
  10. ↑ Фелиг П., Марлисс Э., Кэхилл Г.Ф. 1969. Уровни аминокислот в плазме и секреция инсулина при ожирении. N. Engl. J. Med.
  11. ↑ Тёньес М., Барбус С., Парк Ю.Дж., Ван В., Шлоттер М. и др. 2013. BCAT1 способствует пролиферации клеток через катаболизм аминокислот в глиомах с диким типом IDH1. Nat. Med.
  12. ↑ Бьюз М.Г., Биггерс Дж.Ф., Фридеричи К.Х., Бьюз Дж.Ф. 1972. Окисление аминокислот с разветвлённой цепью изолированными сердцами и диафрагмами крысы: влияние жирных кислот, глюкозы и дыхания пирувата. J. Biol. Chem.
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=BCAA&oldid=1012319