Кетоацилсинтазы (КС) катализируют реакцию конденсации ацил-КоА или ацил-ацил-АПБ с малонил-КоА с образованием 3-кетоацил-КоА или с малонил-АПБ с образованием 3-кетоацил-АПБ. Эта реакция является ключевым этапом в цикле синтеза жирных кислот, поскольку результирующая ацильная цепь на два атома углерода длиннее, чем раньше. КС существуют как отдельные ферменты, как в синтезе жирных кислот типа II и синтезе поликетидов типа II, или как домены в крупных многодоменных ферментах, таких как синтазы жирных кислот типа I (FAS) и поликетидсинтазы (PKS). КС делятся на пять семейств: KS1, KS2, KS3, KS4 и KS5. [1]
Синтаза жирных кислот (FAS) — это ферментная система, участвующая в синтезе жирных кислот de novo. FAS — это итеративный мультифермент, состоящий из нескольких компонентных ферментов, одним из которых является кетоацилсинтаза. Существует два типа FAS: тип I и тип II. FAS типа I — это высокоинтегрированные мультидоменные ферменты. Они содержат дискретные функциональные домены, отвечающие за специфическую каталитическую активность последовательности реакций, либо на одной полипептидной цепи, либо на двух различных многофункциональных белках. FAS типа II — это диссоциированные системы, то есть компонентные ферменты — это независимые белки, кодируемые серией отдельных генов. [2]
Поликетидсинтазы (ПКС) структурно и функционально связаны с ФАС, которые являются ферментами, катализирующими конденсацию активированных первичных метаболитов, таких как ацетил-КоА и малонил-КоА.
Основная реакция, которую они катализируют: [3]
Как и FAS, PKS будут использовать β-кетоацилсинтазу (KS), необязательную (малонил) ацилтрансферазу (MAT/AT) и фосфопантетиенилированный ацилпереносящий белок (ACP) или кофермент A (CoA). Они также оба использовали кеторедуктазу, дегидратазу и еноилредуктазу для создания полностью насыщенного ацильного остова. Однако, в отличие от FAS, PKS обычно используют большее количество биосинтетических строительных блоков и формируют более разнообразное количество длин хвостов. Восстановительные шаги, которые используют FAS, также являются необязательными для PKS. Потенциально исключая их, существует потенциал для более сложной модели функционализации. [4]
Существует три основных типа поликетидов: тип I, тип II и тип III. Тип I очень похож на FAS типа I, поскольку он содержит линейно выровненные и ковалентно слитые каталитические домены внутри больших многофункциональных ферментов. Тип II имеет тенденцию быть более диссоциируемым комплексом с монофункциональными доменами ферментов. Другое отличие PKS заключается в том, что у них есть еще один тип, тип III. PKS типа III многофункциональны при выборе исходной единицы, сборке цепи и продвижении сворачивания. [4]
Почти все члены KS1 производятся бактериями, несколько образованы эукариотами и только один археем. Существует 12 подсемейств. Доминирующим ферментом в семействе KS1 является 3-кетоацил-АПБ-синтаза III (KAS III), также известная как 3-оксоацил-АПБ-синтаза III и β-кетоацил-АПБ-синтаза III, и определяется как EC 2.3.1.180. [5] [1]
Характерная реакция β-кетоацил-АПБ-синтазы III — малонил-АПБ + ацетил-КоА => ацетоацил-АПБ + CO 2 + КоА. Цистеин, гистидин и аспарагин образуют каталитическую триаду в KAS III, которая использует механизм пинг-понга. [1]
В Escherichia coli , одном организме, в котором обычно обнаруживается KAS III, KASIII слабо ингибируется тиолактомицином. [6] В том же самом организме KAS III будет иметь оптимальный pH 7 и оптимальную температуру 30-37 °C. [7] Ингибиторы, оптимальный pH и оптимальные температуры каждого организма будут немного различаться. Однако эти цифры довольно показательны для идеальной среды фермента в целом.
Все ферменты KS2 производятся эукариотами, почти все из растений. Наиболее распространенными ферментами в этом семействе являются 3-кетоацил-КоА-синтазы, элонгазы жирных кислот и ферменты конденсации жирных кислот с очень длинной цепью. Наиболее распространенная общая характеристика для этих ферментов — EC 2.3.1.-; однако некоторые определяются как 2.3.1.119. Большинство ферментов в семействе KS2 катализируют реакции для производства жирных кислот с очень длинной цепью. KS2 можно разделить на 10 подсемейств. [1]
3-Кетоацил-КоА-синтаза I в Arabidopsis thaliana участвует в синтезе очень длинноцепочечных жирных кислот, которые играют роль в биосинтезе воска. [8] Фермент катализирует следующую реакцию:
очень длинноцепочечный ацил-КоА + малонил-КоА ⇒ очень длинноцепочечный 3-оксоацил-КоА + КоА + CO 2 [9]
Это элонгаза, которая, по-видимому, участвует в производстве очень длинноцепочечных жирных кислот, состоящих из 26 атомов углерода и более. [10] Мефлуидид и перфлуидон являются селективными ингибиторами этого фермента. [11]
Семейство KS3 является крупнейшим семейством в системе KS, с 14 подсемействами. Ферменты KS3 в основном производятся бактериями, с небольшим количеством эукариот и архей. KS в этом семействе содержат домены KS, присутствующие как в FAS типа I, так и в модульном типе I PKS. Хотя в этом семействе есть много немного отличающихся ферментов, два наиболее распространенных — 3-кетоацил-АПБ-синтаза I и синтаза II. [1]
3-Кетоацил-АПБ-синтаза I (EC 2.3.1.41) участвует в процессе удлинения цепи при FAS типа II. Следствием отсутствия этого фермента будет дефицит ненасыщенных жирных кислот. Он использует жирные ацилтиоэфиры АПБ и КоА в качестве субстратов и имеет специфичность, близкую к специфичности бета-кетоацил-АПБ-синтазы II. [12]
Обычно этот фермент используется в реакциях конденсации, а также декарбоксилирования и переноса ацильной группы.
Реакция протекает следующим образом:
В Escherichia coli , например, этот фермент используется для построения жирных ацильных цепей посредством трехэтапной реакции конденсации Кляйзена. Реакция начнется с транстиоэстерификации субстрата ацильного праймера. Затем субстрат-донор декарбоксилируется, образуя промежуточный карбанион, который атакует C1 субстрата праймера и создает удлиненную ацильную цепь. [13]
Известно, что ряд молекул являются ингибиторами синтазы I. Например, в некоторых случаях сам ацил-КоА ингибирует фермент в высоких концентрациях в Escherichia coli. Известно, что церуленин ингибирует синтазу I в Carthamus tinctorius , Spinacia oleracea , Brassica napus , Allium ampeloprasu , Streptococcus pneumoniae , Escherichia coli , Mycobacterium tuberculosis и многих других. В Mycobacterium tuberculosis ингибитором является пальмитоил-КоА, а тиолактомицин также в ряде организмов. [12]
Оптимальный диапазон pH сильно варьируется от организма к организму, но в целом лежит в пределах 5,5-8,5. Оптимальная температура та же самая, с 20 °C на одном конце спектра, но 37 °C на другом.
3-Кетоацил-АПБ-синтаза II [14] участвует в FAS типа II, который встречается в растениях и бактериях. Хотя они очень похожи на бета-кетоацил-АПБ-синтазу I, между ними есть небольшое различие. Одно из главных отличий заключается в том, что синтаза II способна легко использовать пальмитолеоил-АПБ в качестве субстрата, тогда как синтаза I не может. Это позволяет контролировать температурно-зависимую регуляцию состава жирных кислот. [15]
Реакция протекает следующим образом:
Например, в Streptococcus pneumoniae синтаза II используется в качестве фермента конденсации удлинения. Она содержит каталитическую триаду Cys134, His337 и His303, а также Phe396 и молекулу воды, связанную с активным сайтом. Нуклеофильный цистеин необходим для образования ацил-фермента и используется в общей конденсационной активности. His 337 также используется для конденсационной активности, в частности, для стабилизации отрицательного заряда на карбониле малонилтиоэфира в переходном состоянии. His303 используется для ускорения катализа путем депротонирования молекулы воды, чтобы обеспечить нуклеофильную атаку на малонат, тем самым высвобождая бикарбонат. Phe396 действует как привратник, контролирующий порядок добавления субстрата. [16]
Известно, что ряд молекул ингибируют этот фермент. Например, церуленин ингибирует синтазу II в Spinacia oleracea , Allium ampelprasum , Escherichia coli и Streptoccoccus pneumonia . В Escherichia coli также известны ингибиторы платенсимицина, тиолактомицина и йодацетамида. [15]
Оптимальный диапазон pH будет варьироваться в зависимости от организма. У Escherichia coli диапазон составляет 5,5–6,1. У Streptoccoccus pneumoniae — 6,8–7, у Plasmodium falciparum — 7,5, а у Spinacia oleracea — 8,1–8,5. Оптимальная температура будет варьироваться, но в основном останется в диапазоне 30–37 °C. [15]
Большинство ферментов KS4 существуют в эукариотических организмах, в то время как остальные происходят из бактерий. Эти ферменты обычно классифицируются как халконсинтазы, стильбенсинтазы или PKS типа III. В целом, существует 10 различных подсемейств в пределах KS4. Обычно члены KS4 будут иметь каталитическую триаду Cys-His-Asn. Как халконсинтазы, так и стильбенсинтазы будут катализировать те же самые этапы переноса ацила, декарбоксилирования и конденсации, что и в KS1. Однако они также будут дополнительно циклизовать и ароматизировать реакции до образования конечного продукта халкона. [1]
Халконсинтаза (EC 2.3.1.74), также известная как нарингенин-халконсинтаза, отвечает за реакцию:
Например, в Medicago sativa реакция происходит в ходе этапа загрузки, этапа декарбоксилирования и, наконец, этапа удлинения. [17]
Ряд ингибиторов включает церуленин в Sinapis alba, Daucus carota и Phaseolus vulgaris , апигенин в Secale зерновых и Avena sativa и эриодиктиол в злаках Decale, Daucus carota и Xanthisma gracile. [17]
Оптимальный уровень pH, при котором этот фермент может функционировать, варьируется в зависимости от организма, но обычно находится где-то между 6 и 8. То же самое касается оптимальной температуры в 30-45 °C. [17]
Все члены семейства KS5 присутствуют в эукариотических клетках, в основном животных. Большинство этих ферментов можно классифицировать как элонгазы жирных кислот. Известно, что эти ферменты используются для удлинения очень длинноцепочечных жирных кислот. KS5 имеет 11 подсемейств. О семействе KS5 пока мало что известно. В настоящее время ни один из конкретных ферментов не имеет номеров EC. Остатки каталитической триады не подтверждены. Были обнаружены консервативные остатки гистидина и аспарагина, причем гистидин находится в области, охватывающей мембрану. Однако консервативные остатки цистеина пока неизвестны. [1]