Acetyl-CoA syntetáza - Acetyl-CoA synthetase

Acetát-CoA ligáza
Identifikátory
EC číslo6.2.1.1
Číslo CAS9012-31-1
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum
Genová ontologieAmiGO / QuickGO

Acetyl-CoA syntetáza (ACS) nebo Acetát-CoA ligáza je enzym (ES 6.2.1.1 ) podílející se na metabolismu acetátu. Je to v ligáza třída enzymů, což znamená, že katalyzuje tvorbu nové chemické vazby mezi dvěma velkými molekulami.

Reakce

Dvě molekuly spojené dohromady, které tvoří Acetyl CoA, jsou acetát a koenzym A (CoA). Kompletní reakce se všemi zahrnutými substráty a produkty je:

ATP + Acetát + CoA <=> AMP + Pyrofosfát + Acetyl-CoA [1]

Jakmile je acetyl-CoA vytvořen, může být použit v TCA cyklus v aerobním dýchání k výrobě energie a nosičů elektronů. Toto je alternativní metoda zahájení cyklu, protože běžnějším způsobem je produkce acetyl-CoA z pyruvát skrz komplex pyruvátdehydrogenázy. Aktivita enzymu probíhá v mitochondriální matice aby produkty byly na správném místě, aby mohly být použity v následujících metabolických krocích.[2] Acetyl Co-A lze také použít v syntéza mastných kyselin a běžnou funkcí syntetázy je produkce acetyl Co-A pro tento účel.[3]

Reakce katalyzovaná acetyl-CoA syntetázou probíhá ve dvou krocích. Za prvé, AMP musí být vázán enzymem, aby způsobil konformační změnu v Aktivní stránky, což umožňuje reakci. Aktivní web se označuje jako A-cluster.[4] Rozhodující lysin zbytek musí být přítomen v aktivním místě, aby katalyzoval první reakci, kde je vázán Co-A. Co-A se pak v aktivním místě otáčí do polohy, kde se acetát může kovalentně vázat na CoA. Kovalentní vazba je tvořena mezi atomem síry v Co-A a centrálním atomem uhlíku v acetátu.[5]

ACS1 forma acetyl-CoA syntetázy je kódována genem facA, který je aktivován acetátem a deaktivován glukózou.[6]

Struktura

Trojrozměrná struktura asymetrického ACS (RCSB PDB ID číslo: 1PG3) ukazuje, že se skládá ze dvou podjednotek. Každá podjednotka se potom skládá primárně ze dvou domén. Větší N-koncová doména je složena z 517 zbytků, zatímco menší C-koncová doména je složena ze 130 zbytků.[7] Každá podjednotka má Aktivní stránky kde jsou ligandy drženy. The vykrystalizoval struktura ACS byla stanovena s CoA a adenosin-5'-propylfosfátem vázaným na enzym. Důvodem pro použití adenosin-5'-propylfosfátu je to, že jde o ATP kompetitivní inhibitor což brání jakýmkoli konformačním změnám enzymu. Adeninový kruh AMP / ATP je držen v hydrofobní kapse vytvořené zbytky Ile (512) a Trp (413).[7]

Zdrojem krystalizované struktury je organismus Salmonella typhimurium (kmen LT2 / SGSC1412 / ATCC 700720). Gen pro ACS byl poté transfekován do Escherichia coli BL21 (DE3) pro expresi. Během chromatografie v procesu izolace enzymu vyšly podjednotky jednotlivě a celková struktura byla stanovena samostatně.[7] Metoda použitá k určení struktury byla Rentgenová difrakce s rozlišením 2,3 angstromů. Hodnoty a úhly jednotkových buněk jsou uvedeny v následující tabulce:

3D struktura ACS (1PG3) pomocí softwaru PyMol.[8]
Axiální pohled na ACS (1PG3) ukazující ligandy vázané na aktivní místo. Ligandy používané ke krystalizaci (na obrázku) jsou adenosin-5'-propylfosfát, CoA a etandiol.
Jednotková buňka
Délka (Å)Úhel (°)
a = 59,981α = 90,00
b = 143,160p = 91,57
c = 71,934y = 90,00

Funkce

Úlohou enzymu ACS je kombinovat acetát a CoA za vzniku acetyl CoA, jeho význam je však mnohem větší. Nejznámější funkcí produktu z této enzymatické reakce je použití Acetyl-CoA v roli TCA cyklus stejně jako v produkce mastných kyselin. Tento enzym je životně důležitý pro působení acetylace histonů stejně jako regulace genů.[9] Účinek této acetylace je u savců dalekosáhlý. Bylo prokázáno, že downregulace genu acs v hipokampální Oblast myší vede k nižším úrovním acetylace histonu, ale také zhoršuje dlouhodobou prostorovou paměť zvířete. Tento výsledek ukazuje na souvislost mezi buněčným metabolismem, regulací genů a kognitivními funkcemi.[9] Tento enzym se ukázal jako zajímavý biomarker pro přítomnost nádorů v kolorektálních karcinomech. Když je gen přítomen, buňky jsou schopny přijímat acetát jako zdroj potravy, aby jej během stresových podmínek přeměnily na acetyl-CoA. V případech pokročilých karcinomových nádorů byly geny pro tento enzym sníženy a ukazovaly na špatnou hladinu 5letá míra přežití.[10] Exprese enzymu byla také spojena s vývojem metastatických nádorových uzlin, což vedlo ke špatné míře přežití u pacientů s karcinomy ledvinových buněk.[11]

Nařízení

Aktivita enzymu je řízena několika způsoby. Základní lysin zbytek v aktivním místě hraje důležitou roli v regulaci aktivity. Molekula lysinu může být deacetylována jinou třídou enzymu zvaného sirtuiny. U savců je cytoplazmatická jaderná syntetáza (AceCS1) aktivována SIRT1 zatímco mitochondriální syntetáza (AceCS2) je aktivována SIRT3. Tato akce zvyšuje aktivitu tohoto enzymu.[2] Přesné umístění lysinového zbytku se u jednotlivých druhů liší a vyskytuje se u lidí na Lys-642, ale je vždy přítomno v aktivním místě enzymu.[12]Protože tam je zásadní alosterický změna, ke které dochází při vazbě molekuly AMP, může přítomnost AMP přispívat k regulaci enzymu. Koncentrace AMP musí být dostatečně vysoká, aby se mohla vázat na alosterické vazebné místo a umožnit ostatním substrátům vstoupit do aktivního místa. Ionty mědi také deaktivují acetyl-Co-A syntetázu tím, že obsadí proximální místo aktivního místa A-klastru, což zabrání tomu, aby enzym přijímal methylovou skupinu, aby se účastnil Wood-Ljungdahl Pathway.[4]Přítomnost všech reaktantů ve správné koncentraci je také nezbytná pro správné fungování jako ve všech enzymech. Acetyl-CoA syntetáza se také vyrábí, když je to potřeba syntéza mastných kyselin, ale za normálních podmínek je gen neaktivní a má určité transkripční faktory, které v případě potřeby aktivují transkripci.[3]Kromě sirtuinů může proteinová deacetyláza (AcuC) také modifikovat acetyl-CoA syntetázu na lysinovém zbytku. Na rozdíl od sirtuinů však AcuC nevyžaduje jako kosubstrát NAD +.[13]

Role v genové expresi

Zatímco aktivita acetyl-CoA syntetázy je obvykle spojena s metabolickými cestami, enzym se také účastní genové exprese. V kvasinkách acetyl-CoA syntetáza dodává acetyl-CoA histon-acetyltransferázám pro acetylaci histonu. Bez správné acetylace nemůže DNA kondenzovat chromatin správně, což nevyhnutelně vede k transkripčním chybám.[14]

Průmyslové použití

FAEE (C12) vyráběné pomocí Keaslingovy biosyntetické dráhy v inženýrství E-coli (A2A). Jsou možné různé typy v závislosti na počtu zabudovaných jednotek acetyl-CoA (výsledkem je sudý počet řetězců).
Reprezentativní molekula mastné kyseliny (kyselina palmitová, C16)

Využitím cest, které používají acetyl-CoA jako substrát, lze získat upravené produkty, které mohou být spotřebitelskými produkty. Nadměrnou expresí genu acs a použitím acetátu jako suroviny lze zvýšit produkci mastných kyselin (FA).[15] Použití acetátu jako výchozího materiálu je neobvyklé, protože acetát je běžným odpadním produktem E-coli metabolismus a je toxický při vysokých úrovních pro organismus. Díky adaptaci E. coli na použití acetátu jako výchozí suroviny byli tyto mikroby schopné přežít a produkovat své upravené produkty. Tyto mastné kyseliny by poté mohly být použity jako biopalivo po oddělení od média, což vyžaduje další zpracování (transesterifikace ), čímž se získá použitelné palivo na bionaftu. Původní adaptační protokol pro indukci vysokých úrovní absorpce acetátu byl inovován v roce 1959 jako prostředek k vyvolání hladových mechanismů v E-coli.[16]

Mechanismus transesterifikace mastných kyselin na estery

Intracelulární

Acetyl-CoA z rozkladu cukrů při glykolýze se používá k tvorbě mastných kyselin. Rozdíl však spočívá ve skutečnosti, že kmen Keasling je schopen syntetizovat svůj vlastní ethanol a zpracovat (transesterifikací ) mastnou kyselinu dále za vzniku stabilních ethylesterů mastných kyselin (FAEE). Odstranění nutnosti dalšího zpracování před získáním použitelného palivového produktu v dieselových motorech.[17]

Nařízení se mění na E-coli pro výrobu FAEE z acetátu.

Acetyl CoA používaný při výrobě ethanolu i mastných kyselin

Transesterifikace

Byly provedeny předběžné studie, kde kombinace těchto dvou metod vyústila v produkci FAEE za použití acetátu jako jediného zdroje uhlíku za použití kombinace výše popsaných metod.[18][nespolehlivý zdroj ] Úrovně produkce všech zmíněných metod zatím nedosahují úrovní požadovaných pro aplikace ve velkém měřítku.

Reference

  1. ^ KEGG
  2. ^ A b Schwer B, Bunkenborg J, Verdin RO, Andersen JS, Verdin E (červenec 2006). „Reverzibilní acetylace lysinu řídí aktivitu mitochondriálního enzymu acetyl-CoA syntetázy 2“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 103 (27): 10224–10229. doi:10.1073 / pnas.0603968103. PMC  1502439. PMID  16788062.
  3. ^ A b Ikeda Y, Yamamoto J, Okamura M, Fujino T, Takahashi S, Takeuchi K, Osborne TF, Yamamoto TT, Ito S, Sakai J (září 2001). „Transkripční regulace myšího genu pro acetyl-CoA syntetázu 1 prostřednictvím více klastrovaných vazebných míst pro proteiny vázající regulační prvek sterolu a jediné sousední místo pro Sp1“. The Journal of Biological Chemistry. 276 (36): 34259–69. doi:10,1074 / jbc.M103848200. PMID  11435428.
  4. ^ A b Bramlett MR, Tan X, Lindahl PA (srpen 2003). „Inaktivace acetyl-CoA syntázy / oxidu uhelnatého dehydrogenázy mědí“. Journal of the American Chemical Society. 125 (31): 9316–7. doi:10.1021 / ja0352855. PMID  12889960.
  5. ^ PDB: 1RY2​; Jogl G, Tong L (únor 2004). "Krystalová struktura kvasinkového acetyl-koenzymu syntetázy v komplexu s AMP". Biochemie. 43 (6): 1425–31. doi:10.1021 / bi035911a. PMID  14769018.
  6. ^ De Cima S, Rúa J, Perdiguero E, del Valle P, Busto F, Baroja-Mazo A, de Arriaga D (7. dubna 2005). „Acetyl-CoA syntetáza nekódovaná genem FacA je exprimována pod hladovění uhlíkem v Phycomyces blakesleeanus.“ Výzkum v mikrobiologii. 156 (5–6): 663–9. doi:10.1016 / j.resmic.2005.03.003. PMID  15921892.
  7. ^ A b C PDB: 1PG3​; Gulick AM, Starai VJ, Horswill AR, Homick KM, Escalante-Semerena JC (březen 2003). „Krystalová struktura 1,75 A acetyl-CoA syntetázy vázaná na adenosin-5'-propylfosfát a koenzym A“. Biochemie. 42 (10): 2866–73. doi:10.1021 / bi0271603. PMID  12627952.
  8. ^ Systém molekulární grafiky PyMOL, verze 2.0 Schrödinger, LLC.
  9. ^ A b Mews P, Donahue G, Drake AM, Luczak V, Abel T, Berger SL (červen 2017). „Acetyl-CoA syntetáza reguluje acetylaci histonů a hipokampální paměť“. Příroda. 546 (7658): 381–386. doi:10.1038 / příroda22405. PMC  5505514. PMID  28562591.
  10. ^ Bae JM, Kim JH, Oh HJ, Park HE, Lee TH, Cho NY, Kang GH (únor 2017). „Downregulace acetyl-CoA syntetázy 2 je metabolickým znakem progrese a agresivity nádoru u kolorektálního karcinomu.“ Moderní patologie. 30 (2): 267–277. doi:10.1038 / modpathol.2016.172. PMID  27713423.
  11. ^ Zhang S, He J, Jia Z, Yan Z, Yang J (březen 2018). „Acetyl-CoA syntetáza 2 zvyšuje tumorigenezi a svědčí o špatné prognóze u pacientů s karcinomem ledvinových buněk.“ Urologická onkologie. 36 (5): 243.e9–243.e20. doi:10.1016 / j.urolonc.2018.01.013. PMID  29503142.
  12. ^ Hallows WC, Lee S, Denu JM (červenec 2006). „Sirtuiny deacetylátují a aktivují savčí acetyl-CoA syntetázy“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 103 (27): 10230–10235. doi:10.1073 / pnas.0604392103. PMC  1480596. PMID  16790548.
  13. ^ Gardner JG, Grundy FJ, Henkin TM, Escalante-Semerena JC (srpen 2006). "Kontrola aktivity acetyl-koenzymu A syntetázy (AcsA) acetylací / deacetylací bez účasti NAD (+) na Bacillus subtilis". Journal of Bacteriology. 188 (15): 5460–8. doi:10.1128 / JB.00215-06. PMC  1540023. PMID  16855235.
  14. ^ Takahashi H, McCaffery JM, Irizarry RA, Boeke JD (červenec 2006). „Nukleocytosolový acetyl-koenzym a syntetáza je nutný pro acetylaci histonů a globální transkripci“. Molekulární buňka. 23 (2): 207–17. doi:10.1016 / j.molcel.2006.05.040. PMID  16857587.
  15. ^ Xiao Y, Ruan Z, Liu Z, Wu SG, Varman AM, Liu Y, Tang YJ (2013). „Engineering Escherichia coli pro převod kyseliny octové na volné mastné kyseliny“. Biochemical Engineering Journal. 76: 60–69. doi:10.1016 / j.bej.2013.04.013.
  16. ^ Glasky AJ, Rafelson ME (srpen 1959). „Využití acetátu-C14 Escherichia coli pěstované na acetátu jako jediném zdroji uhlíku“. The Journal of Biological Chemistry. 234 (8): 2118–22. PMID  13673023.
  17. ^ Steen EJ, Kang Y, Bokinsky G, Hu Z, Schirmer A, McClure A, Del Cardayre SB, Keasling JD (leden 2010). „Mikrobiální výroba paliv a chemikálií odvozených z mastných kyselin z rostlinné biomasy“. Příroda. 463 (7280): 559–62. doi:10.1038 / nature08721. PMID  20111002.
  18. ^ Banuelos S, Cervantes E, Perez E, Tang S (březen 2017). Od toxického vedlejšího produktu po biopaliva: Přizpůsobeno Escherichia coli k výrobě ethylesterů mastných kyselin z acetátu. Kurz Stanfordské univerzity: CHEMENG 185B (Zpráva).