Acetyl-CoA karboxyláza - Acetyl-CoA carboxylase

Acetyl-CoA karboxyláza (ACC) je biotin -závislý enzym který katalyzuje nevratné karboxylace z acetyl-CoA k výrobě malonyl-CoA prostřednictvím svých dvou katalytických aktivit, biotin karboxyláza (BC) a karboxyltransferáza (CT). ACC je většina enzymů s více podjednotkami prokaryoty a v chloroplasty většiny rostlin a řas, zatímco se jedná o velký vícedoménový enzym v endoplazmatické retikulum většiny eukaryoty. Nejdůležitější funkcí ACC je poskytnout malonyl-CoA substrát pro biosyntéza mastných kyselin.^[1] Aktivitu ACC lze regulovat na transkripční úrovni i pomocí modulátorů s malými molekulami a kovalentní modifikace. Lidský genom obsahuje geny pro dva různé ACC^[2]—ACACA^[3] a ACACB.^[4]

Struktura

Prokaryotes a rostliny mají vícepodjednotkové ACC složené z několika polypeptidů. Aktivita biotinkarboxylázy (BC), biotin karboxylový nosný protein (BCCP) a aktivita karboxyltransferázy (CT) jsou každá obsažena v jiné podjednotce. Stechiometrie těchto podjednotek v ACC holoenzym se mezi organismy liší.^[1] Lidé a většina eukaryoty vyvinuli ACC s CT a BC katalytickými doménami a BCCP doménami na jediném polypeptidu. Většina rostlin má také tuto homomerní formu v cytosolu.^[5] Funkční oblasti ACC, počínaje N-konec na C-konec jsou biotinkarboxyláza (BC), vazba biotinu (BB), karboxyltransferáza (CT) a ATP-vazba (AB). AB leží v BC. Biotin je kovalentně připojen amidovou vazbou k dlouhému boční řetěz lysinu sídlí v BB. Protože BB je mezi oblastmi BC a CT, může se biotin snadno přemístit do obou aktivních míst, kde je to nutné.

U savců, kde jsou exprimovány dvě izoformy ACC, je hlavním strukturálním rozdílem mezi těmito izoformami prodloužený ACC2 N-konec obsahující sekvence mitochondriálního cílení.^[1]

Geny

Polypeptidy, které tvoří ACC s více podjednotkami prokaryoty a rostliny jsou kódovány odlišnými geny. v Escherichia coli, accA kóduje alfa podjednotku acetyl-CoA karboxylázy,^[6] a accD kóduje svoji beta podjednotku.^[7]

Mechanismus

Celková reakce ACAC (A, B) probíhá dvoustupňovým mechanismem.^[8] První reakce se provádí pomocí BC a zahrnuje ATP-závislou karboxylaci biotin s hydrogenuhličitan sloužící jako zdroj CO₂. Karboxylová skupina se přenáší z biotin na acetyl CoA tvořit malonyl CoA ve druhé reakci, která je katalyzována CT.

Reakční mechanismus ACAC (A, B).

Barevné schéma je následující: enzym, koenzymy, názvy substrátů, ionty kovů, fosfát, a uhličitan

V Aktivní stránky, reakce probíhá rozsáhlou interakcí zbytků Glu296 a kladně nabitých Arg338 a Arg292 se substráty.^[9] Dva Mg²⁺ jsou koordinovány fosfátovými skupinami na ATP a jsou vyžadovány pro vazbu ATP na enzym. Bikarbonát je deprotonovaný Glu296, i když v roztoku je tento přenos protonů nepravděpodobný jako pKa hydrogenuhličitanu je 10,3. Enzym zjevně manipuluje s pKa, aby usnadnil deprotonaci hydrogenuhličitanu. PKa bikarbonátu se snižuje jeho interakcí s pozitivně nabitými postranními řetězci Arg338 a Arg292. Kromě toho Glu296 interaguje s postranním řetězcem Glu211, což je interakce, u které bylo prokázáno, že způsobuje zvýšení zjevné pKa. Po deprotonaci hydrogenuhličitanu působí kyslík hydrogenuhličitanu jako nukleofil a napadá gama fosfát na ATP. Karboxyfosfátový meziprodukt se rychle rozkládá na CO₂ a PO₄³⁻. PO₄³⁻ deprotonuje biotin a vytváří enolát stabilizovaný Arg338, který následně útočí na CO₂ což má za následek produkci karboxybiotinu.^[9] Karboxybiotin se přemístí do aktivního místa karboxyltransferázy (CT), kde se karboxylová skupina přenese na acetyl-CoA. Na rozdíl od domény BC je málo známo o reakčním mechanismu CT. Navrhovaným mechanismem je uvolňování CO₂ z biotinu, který následně abstrahuje proton z methylové skupiny z acetyl-CoA karboxylázy. Výsledný izolovat útočí na CO₂ tvořit malonyl CoA. V konkurenčním mechanismu proton abstrakce je spojena s útokem acetyl CoA.

Funkce

Funkce ACC je regulovat metabolismus mastných kyselin. Když je enzym aktivní, produkuje se produkt, malonyl-CoA, který je stavebním kamenem pro nové mastné kyseliny a může bránit přenosu mastné acylové skupiny z acyl CoA na karnitin s karnitin acyltransferáza, který inhibuje beta-oxidace mastných kyselin v mitochondrie.

v savci, dvě hlavní izoformy ACC jsou vyjádřeny, ACC1 a ACC2, které se liší jak v distribuci tkání, tak ve funkci. ACC1 se nachází v cytoplazma všech buněk, ale je obohacen o lipogenní tkáň, jako je např tukové tkáně a kojící mléčné žlázy, kde je důležitá syntéza mastných kyselin.^[10] V oxidačních tkáních, jako je kosterní sval a srdce, vyjádřený poměr ACC2 je vyšší. ACC1 a ACC2 jsou vysoce vyjádřeny v játra kde je důležitá jak oxidace, tak syntéza mastných kyselin.^[11] Rozdíly v tkáňové distribuci naznačují, že ACC1 udržuje regulaci syntéza mastných kyselin zatímco ACC2 reguluje hlavně oxidaci mastných kyselin (beta oxidaci).

Nařízení

Kontrola acetyl-CoA karboxylázy. Kináza regulovaná AMP spouští fosforylaci enzymu (a tím ji deaktivuje) a enzym fosfatáza odstraňuje fosfátovou skupinu.

Regulace savčího ACC je složitá, aby bylo možné řídit dvě odlišné skupiny malonyl CoA, které řídí buď inhibici beta oxidace nebo aktivaci biosyntézy lipidů.^[12]

Savčí ACC1 a ACC2 jsou transkripčně regulovány násobkem promotéři které zprostředkovávají hojnost ACC v reakci na nutriční stav buněk. Aktivace genové exprese pomocí různých promotorů vede k alternativní sestřih; fyziologický význam konkrétního ACC isozymy zůstává nejasný.^[11] Citlivost na stav výživy vyplývá z kontroly těchto promotorů pomocí transkripční faktory jako protein vázající regulační prvek sterolu 1, kontrolované inzulinem na transkripční úrovni, a ChREBP, což zvyšuje výraz s vysokou sacharidy diety.^[13][14]

Prostřednictvím zpětné smyčky citrát alostericky aktivuje ACC.^[15] Citrát může zvýšit ACC polymerizace ke zvýšení enzymatické aktivity; není však jasné, zda je polymerace citrátovým hlavním mechanismem zvyšování aktivity ACC, nebo zda je polymerace artefaktem in vitro experimentů. Mezi další alosterické aktivátory patří glutamát a další dikarboxylové kyseliny.^[16] Mastné acylové CoA s dlouhým a krátkým řetězcem jsou inhibitory negativní zpětné vazby ACC.^[17]

Fosforylace může nastat, když hormony glukagon nebo epinefrin vázat se na povrch buňky receptory, ale hlavní příčinou fosforylace je zvýšení hladiny AMP, když je energetický stav buňky nízký, což vede k aktivaci AMP-aktivovaná protein kináza (AMPK). AMPK je hlavní kináza regulátor ACC, schopný fosforylovat řadu serinových zbytků na obou izoformách ACC.^[18] Na ACC1 AMPK fosforyluje Ser79, Ser1200 a Ser1215. Protein kináza A také má schopnost fosforylovat ACC, s mnohem větší schopností fosforylovat ACC2 než ACC1. Fyziologický význam proteinkinázy A v regulaci ACC však v současnosti není znám. Vědci předpokládají, že existují další ACC kinázy důležité pro jeho regulaci, protože na ACC existuje mnoho dalších možných fosforylačních míst.^[19]

Když inzulín váže se na své receptory na buněčná membrána, aktivuje fosfatázový enzym zvaný proteinová fosfatáza 2A (PP2A) k defosforylaci enzymu; čímž se odstraní inhibiční účinek. Kromě toho inzulín indukuje fosfodiesterázu, která snižuje hladinu cAMP v buňce, čímž inhibuje PKA, a také přímo inhibuje AMPK.^{[Citace je zapotřebí ]}

Tento protein může používat morpheein model alosterická regulace.^[20]

Klinické důsledky

V okamžiku syntézy lipidů a oxidačních drah představuje ACC mnoho klinických možností pro výrobu nových antibiotika a vývoj nových terapií pro cukrovka, obezita a další projevy metabolický syndrom.^[21] Vědci se snaží využít strukturálních rozdílů mezi bakteriálními a lidskými ACC k vytvoření antibiotik specifických pro bakteriální ACC ve snaze minimalizovat vedlejší účinky na pacienty. Slibné výsledky pro užitečnost inhibitoru ACC zahrnují zjištění, že myši bez exprese ACC2 mají kontinuální oxidaci mastných kyselin, sníženou hmotnost tělesného tuku a sníženou tělesnou hmotnost navzdory zvýšení spotřeby potravy. Tyto myši jsou také chráněny před cukrovkou.^[12] Nedostatek ACC1 u mutantních myší je smrtelný již v embryonálním stadiu. Není však známo, zda léky zaměřené na ACC u lidí musí být specifické pro ACC2.^[22]

Firsocostat (dříve GS-976, ND-630, NDI-010976) je silný alosterický inhibitor ACC, který působí na BC doménu ACC.^[23] Firsocostat je ve vývoji v roce 2019 (fáze II)^[24] farmaceutickou společností Gilead jako součást kombinované léčby pro nealkoholická steatohepatitida (NASH), považována za rostoucí příčinu selhání jater.^[25]

Kromě toho jsou rostlinně selektivní inhibitory ACC široce používány jako herbicidy,^[26] což naznačuje klinickou aplikaci proti Apicomplexa paraziti, kteří se spoléhají na izoformu ACC odvozenou z rostlin,^[27] počítaje v to malárie.

Viz také

• Malonyl-CoA dekarboxyláza

Reference

Další čtení