ترانسكيتولاز

إنزيم الترانسكيتولاز (يُختصر إلى TK ) هو إنزيم يُشفّر في الإنسان بواسطة جين TKT . ^{[ 1 ]} يشارك هذا الإنزيم في كلٍ من مسار فوسفات البنتوز في جميع الكائنات الحية ودورة كالفن في عملية البناء الضوئي . يحفز الترانسكيتولاز تفاعلين مهمين، يعملان في اتجاهين متعاكسين في هذين المسارين. في التفاعل الأول من مسار فوسفات البنتوز غير المؤكسد، يستقبل العامل المساعد ثيامين ثنائي الفوسفات جزءًا ثنائي الكربون من كيتوز خماسي الكربون ( D-xylulose-5-P )، ثم ينقل هذا الجزء إلى ألدوز خماسي الكربون ( D-ribose-5-P ) لتكوين كيتوز سباعي الكربون ( sedoheptulose-7-P ). يؤدي انتزاع ذرتي كربون من D-xylulose-5-P إلى تكوين الألدوز ثلاثي الكربون جليسرالدهيد-3- P. في دورة كالفن، يحفز إنزيم ترانسكيتولاز التفاعل العكسي، وهو تحويل سيدوهيبتولوز-7-فوسفات وجليسرالدهيد-3-فوسفات إلى بنتوزات، الألدوز D-ريبوز-5-فوسفات والكيتوز D-زيلولوز-5-فوسفات.

يتضمن التفاعل الثاني الذي يحفزه إنزيم ترانسكيتولاز في مسار فوسفات البنتوز نفس عملية نقل جزيء ثنائي الكربون من D-زيلولوز-5-فوسفات إلى ألدوز إريثروس-4-فوسفات ، بوساطة ثيامين ثنائي الفوسفات، مما ينتج عنه فركتوز 6-فوسفات وجليسرالدهيد-3-فوسفات. يحدث التفاعل نفسه في دورة كالفن، ولكن في الاتجاه المعاكس. علاوة على ذلك، في دورة كالفن، يُعد هذا التفاعل هو الأول الذي يحفزه إنزيم ترانسكيتولاز وليس الثاني.

يربط إنزيم ترانسكيتولاز مسار فوسفات البنتوز بعملية تحلل الجلوكوز ، موفراً فائض فوسفات السكر لمسارات استقلاب الكربوهيدرات الرئيسية في الثدييات. وجوده ضروري لإنتاج NADPH ، خاصةً في الأنسجة النشطة في عمليات التخليق الحيوي، مثل تخليق الأحماض الدهنية في الكبد والغدد الثديية ، وتخليق الستيرويدات في الكبد والغدد الكظرية . يُعد ثيامين ثنائي الفوسفات عاملاً مساعداً أساسياً، إلى جانب الكالسيوم .

يُعبر عن إنزيم ترانسكيتولاز بكثرة في قرنية الثدييات بواسطة الخلايا القرنية السدوية والخلايا الظهارية، ويُعتقد أنه أحد البلورات القرنية . ^{[ 2 ]}

يُعبر عن إنزيم ترانسكيتولاز على نطاق واسع في العديد من الكائنات الحية، بما في ذلك البكتيريا والنباتات والثدييات. وتشفر الجينات البشرية التالية بروتينات ذات نشاط ترانسكيتولاز:

• TKT (ترانسكيتولاز)
• TKTL1 (بروتين يشبه الترانسكيتولاز 1)
• TKTL2 (بروتين يشبه الترانسكيتولاز 2)

يتكون مدخل الموقع النشط لهذا الإنزيم بشكل أساسي من عدة سلاسل جانبية من الأرجينين والهيستيدين والسيرين والأسبارتات ، بينما تلعب سلسلة جانبية من الغلوتامات دورًا ثانويًا. هذه السلاسل الجانبية، وتحديدًا Arg359 وArg528 وHis469 وSer386، محفوظة داخل كل إنزيم ترانسكيتولاز، وتتفاعل مع مجموعة الفوسفات في الركائز المانحة والمستقبلة . نظرًا لضيق قناة الركيزة، لا يمكن للركائز المانحة والمستقبلة الارتباط في الوقت نفسه. كما تتخذ الركائز شكلًا ممتدًا قليلًا عند ارتباطها بالموقع النشط لتلائم هذه القناة الضيقة.

على الرغم من قدرة هذا الإنزيم على الارتباط بأنواع عديدة من الركائز، مثل السكريات الأحادية المفسفرة وغير المفسفرة، بما في ذلك سكريات الكيتو والألدوز مثل الفركتوز والريبوز ، إلا أنه يتميز بانتقائية عالية للتكوين الفراغي لمجموعات الهيدروكسيل في السكريات. يجب أن تكون مجموعات الهيدروكسيل هذه في الموضعين C-3 وC-4 من جزيء الكيتوز المانح في التكوين الفراغي D- threo لتتوافق بشكل صحيح مع الموضعين C-1 وC-2 على جزيء الألدوز المستقبل . ^{[ 3 ]} كما أنها تُثبّت الركيزة في الموقع النشط من خلال التفاعل مع بقايا الأحماض الأمينية Asp477 وHis30 وHis263. إن أي خلل في هذا التكوين، سواءً في موضع مجموعات الهيدروكسيل أو في تكوينها الفراغي، سيؤدي بالتالي إلى تغيير الروابط الهيدروجينية بين الأحماض الأمينية والركائز، مما يُسبب انخفاضًا في ألفة الإنزيم للركائز.

في النصف الأول من هذا المسار، يُستخدم الهيستيدين 263 (His263) لانتزاع بروتون الهيدروكسيل C3 بكفاءة ، مما يسمح بفصل جزء ثنائي الكربون من فركتوز 6-فوسفات . ^{[ 4 ]} العامل المساعد الضروري لحدوث هذه الخطوة هو ثيامين بيروفوسفات (TPP). لا يُحدث ارتباط TPP بالإنزيم أي تغيير بنيوي كبير فيه؛ بل يحتوي الإنزيم على حلقتين مرنتين في الموقع النشط تُسهّلان وصول TPP وارتباطه. ^{[ 3 ]} وبالتالي، يسمح هذا للموقع النشط باتخاذ بنية "مغلقة" بدلاً من تغيير بنيوي كبير. لاحقًا في المسار، يُستخدم His263 كمانح للبروتون لمركب مستقبل الركيزة-TPP، والذي يُمكنه بدوره توليد إريثروس-4-فوسفات .

تُستخدم السلاسل الجانبية للهيستيدين والأسبارتات لتثبيت الركيزة بفعالية داخل الموقع النشط، وللمشاركة في نزع البروتون منها. تحديدًا، تُشكّل السلاسل الجانبية للهيستيدين 263 والهيستيدين 30 روابط هيدروجينية مع طرف الألدهيد للركيزة، وهو الطرف الأعمق داخل قناة الركيزة، بينما يُشكّل الأسبارتات 477 روابط هيدروجينية مع مجموعة الهيدروكسيل ألفا على الركيزة، حيث يعمل على ربط الركيزة بفعالية والتحقق من التكوين الفراغي الصحيح. يُعتقد أيضًا أن للأسبارتات 477 تأثيرات تحفيزية مهمة نظرًا لتوجّهه في منتصف الموقع النشط وتفاعلاته مع مجموعة الهيدروكسيل ألفا للركيزة. يلعب الغلوتامات 418، الموجود في أعمق منطقة من الموقع النشط، دورًا حاسمًا في تثبيت العامل المساعد TPP. تحديدًا، يُشارك في انتزاع البروتون من جزيء الركيزة بمساعدة العامل المساعد. ^{[ 3 ]}

تلعب مجموعة الفوسفات في الركيزة دورًا هامًا في تثبيتها عند دخولها الموقع النشط. وتتضافر التفاعلات الأيونية والقطبية القوية بين هذه المجموعة وبقايا الأحماض الأمينية Arg359 وArg528 وHis469 وSer386 لتثبيت الركيزة عبر تكوين روابط هيدروجينية مع ذرات الأكسجين في الفوسفات. [ ^{3 ] وتتجلى} الطبيعة الأيونية في الجسر الملحي المتكون من Arg359 إلى مجموعة الفوسفات.

تبدأ عملية التحفيز في هذه الآلية بنزع بروتون من جزيء TPP عند حلقة الثيازوليوم. ثم يرتبط هذا الكربانيون بمجموعة الكربونيل في الركيزة المانحة، مما يؤدي إلى كسر الرابطة بين ذرتي الكربون C-2 و C-3. ويبقى هذا الجزء الكيتوني مرتبطًا تساهميًا بذرة الكربون C-2 في جزيء TPP. بعد ذلك، تُحرر الركيزة المانحة، وتدخل الركيزة المستقبلة إلى الموقع النشط حيث ينتقل الجزء، المرتبط بالوسيط α-β-ثنائي هيدروكسي إيثيل ثيامين ثنائي الفوسفات، إلى المستقبل. ^{[ 3 ]}

أُجريت أيضًا تجارب لاختبار تأثير استبدال الألانين بالأحماض الأمينية الموجودة عند مدخل الموقع النشط، وهي Arg359 وArg528 وHis469، والتي تتفاعل مع مجموعة الفوسفات في الركيزة. ينتج عن هذا الاستبدال إنزيم طافر ذو نشاط تحفيزي ضعيف. ^{[ 3 ]}

ينخفض ​​نشاط إنزيم ترانسكيتولاز بسبب نقص الثيامين، والذي ينتج عادةً عن ^سوء التغذية . وترتبط عدة أمراض بنقص الثيامين، بما في ذلك مرض البري بري ، ومرض العقد القاعدية المستجيب للبيوتين والثيامين (BTBGD) ، ومتلازمة فيرنيك-كورساكوف ^{، وغيرها} (انظر الثيامين للاطلاع على قائمة شاملة).

في متلازمة فيرنيك-كورساكوف، ورغم عدم إمكانية إثبات وجود طفرات جينية، ^{[ 6 ]} إلا أن هناك ما يشير إلى أن نقص الثيامين يؤدي إلى هذه المتلازمة فقط لدى الأفراد الذين لديهم انخفاض في ألفة إنزيم الترانسكيتولاز للثيامين. ^{[ 7 ]} وبهذه الطريقة، يتعطل نشاط إنزيم الترانسكيتولاز بشكل كبير، ونتيجة لذلك، يتم تثبيط مسار فوسفات البنتوز بأكمله. ^{[ 8 ]}

في حالة نقص إنزيم ترانسكيتولاز، المعروف أيضًا باسم SDDHD (قصر القامة، وتأخر النمو، وعيوب القلب الخلقية)، ينجم المرض عن طفرة وراثية متنحية في جين TKT. وهو اضطراب نادر في استقلاب فوسفات البنتوز، تظهر أعراضه في مرحلة الرضاعة، بما في ذلك تأخر النمو والإعاقة الذهنية، وتأخر أو غياب الكلام، وقصر القامة، وعيوب القلب الخلقية. تشمل الأعراض الأخرى المبلغ عنها: نقص التوتر العضلي، وفرط النشاط، والسلوك النمطي، واضطرابات العين، وضعف السمع، وتشوهات الوجه المتفاوتة، وغيرها. تُظهر التحاليل المخبرية ارتفاعًا في مستويات البوليولات في البلازما والبول (الإريثريتول، والأرابيتول، والريبيتول) وسكريات الفوسفات في البول (ريبوز-5-فوسفات، وزيلولوز/ريبولوز-5-فوسفات). ^{[ 9 ]} أظهرت مستخلصات الخلايا من جميع المرضى الخمسة غيابًا أو انخفاضًا في نشاط إنزيم TKT المتبقي. وقد اقترح بويل وآخرون (2016) أن انخفاض نشاط إنزيم TKT في بعض الأنسجة، ربما بسبب بروتين آخر له نفس الوظيفة، قد يفسر سبب توافق نقص إنزيم TKT مع الحياة على الرغم من كونه إنزيمًا أساسيًا. ^{[ 10 ]}

ينخفض ​​نشاط إنزيم ترانسكيتولاز خلايا الدم الحمراء (المعروف أيضًا باسم ETK) [11] في حالة نقص الثيامين ( فيتامين ب 1 ) ، ^{ويمكن استخدامه في} تشخيص اعتلال _فيرنيك الدماغي ومتلازمات نقص فيتامين ب ₁ الأخرى في حال الشك في التشخيص. ^{[ 12 ]} وبالإضافة إلى النشاط الإنزيمي الأساسي (الذي قد يكون طبيعيًا حتى في حالات النقص)، فإن تسارع نشاط الإنزيم بعد إضافة بيروفوسفات الثيامين قد يكون مؤشرًا تشخيصيًا لنقص الثيامين (0-15% طبيعي، 15-25% نقص، >25% نقص حاد). ^{[ 13 ]}