stringtranslate.com

Ацетил-КоА-синтетаза

Ацетил-КоА-синтетаза (АКС) или ацетат-КоА-лигаза — это фермент ( КФ 6.2.1.1), участвующий в метаболизме ацетата . Он относится к классу ферментов лигаз , что означает, что он катализирует образование новой химической связи между двумя большими молекулами.

Реакция

Две соединенные молекулы, составляющие ацетил-КоА, — это ацетат и кофермент А (КоА). Полная реакция со всеми включенными субстратами и продуктами выглядит следующим образом:

АТФ + Ацетат + КоА → АМФ + Пирофосфат + Ацетил-КоА [1]

После образования ацетил-КоА он может быть использован в цикле трикарбоновых кислот при аэробном дыхании для производства энергии и переносчиков электронов. Это альтернативный метод запуска цикла, поскольку более распространенным способом является производство ацетил-КоА из пирувата через комплекс пируватдегидрогеназы . Действие фермента происходит в митохондриальной матрице , так что продукты находятся в надлежащем месте для использования на следующих этапах метаболизма. [2] Ацетил-КоА также может быть использован в синтезе жирных кислот , и общей функцией синтетазы является производство ацетил-КоА для этой цели. [3]

Реакция, катализируемая ацетил-КоА-синтетазой, происходит в два этапа. Во-первых, AMP должен быть связан ферментом, чтобы вызвать конформационное изменение в активном центре , что позволяет реакции произойти. Активный центр называется А-кластером. [4] Важный остаток лизина должен присутствовать в активном центре, чтобы катализировать первую реакцию, в которой связан Ко-А. Затем Ко-А поворачивается в активном центре в положение, в котором ацетат может ковалентно связываться с Ко-А. Ковалентная связь образуется между атомом серы в Ко-А и центральным атомом углерода ацетата. [5]

Форма ACS1 ацетил-КоА-синтетазы кодируется геном facA, который активируется ацетатом и дезактивируется глюкозой. [6]

Структура

Трехмерная структура асимметричного ACS (RCSB PDB ID номер: 1PG3) показывает, что он состоит из двух субъединиц. Каждая субъединица в основном состоит из двух доменов. Больший N-концевой домен состоит из 517 остатков, в то время как меньший C-концевой домен состоит из 130 остатков. [7] Каждая субъединица имеет активный сайт , где удерживаются лиганды. Кристаллизованная структура ACS была определена с помощью CoA и аденозин-5′-пропилфосфата, связанных с ферментом. Причина использования аденозин-5′-пропилфосфата заключается в том, что он является конкурентным ингибитором АТФ , который предотвращает любые конформационные изменения фермента. Адениновое кольцо AMP/ATP удерживается в гидрофобном кармане, созданном остатками Ile (512) и Trp (413). [7]

Источником кристаллизованной структуры является организм Salmonella typhimurium (штамм LT2 / SGSC1412 / ATCC 700720). Затем ген ACS был трансфицирован в Escherichia coli BL21(DE3) для экспрессии. Во время хроматографии в процессе выделения фермента субъединицы выходили по отдельности, а общая структура определялась отдельно. [7] Методом, используемым для определения структуры, была рентгеновская дифракция с разрешением 2,3 ангстрема. Значения элементарной ячейки и углы приведены в следующей таблице:

3D-структура ACS (1PG3) с использованием программного обеспечения PyMol. [8]
Аксиальный вид ACS (1PG3), показывающий лиганды, связанные с активным сайтом. Лиганды, используемые для кристаллизации (на изображении), — это аденозин-5'-пропилфосфат, CoA и этандиол.

Функция

Роль фермента ACS заключается в объединении ацетата и кофермента А для образования ацетил-КоА, однако его значение гораздо больше. Наиболее известная функция продукта этой ферментативной реакции — использование ацетил-КоА в роли цикла трикарбоновых кислот , а также в производстве жирных кислот . Этот фермент жизненно важен для действия ацетилирования гистонов , а также регуляции генов. [9] Эффект этого ацетилирования имеет далеко идущие последствия для млекопитающих. Было показано, что подавление гена acs в области гиппокампа мышей приводит к более низким уровням ацетилирования гистонов, но также ухудшает долговременную пространственную память животного. Этот результат указывает на связь между клеточным метаболизмом, регуляцией генов и когнитивной функцией. [9] Этот фермент оказался интересным биомаркером наличия опухолей при колоректальных карциномах. Когда ген присутствует, клетки способны принимать ацетат в качестве источника пищи для его преобразования в ацетил-КоА в стрессовых условиях. В случаях запущенных опухолей карциномы гены этого фермента были подавлены, что указывало на низкую пятилетнюю выживаемость . [10] Экспрессия фермента также была связана с развитием метастатических опухолевых узлов, что приводило к низкой выживаемости у пациентов с почечно-клеточной карциномой. [11]

Регулирование

Активность фермента контролируется несколькими способами. Существенный остаток лизина в активном центре играет важную роль в регуляции активности. Молекула лизина может быть деацетилирована другим классом ферментов, называемых сиртуинами . У млекопитающих цитоплазматическая-ядерная синтетаза (AceCS1) активируется SIRT1 , в то время как митохондриальная синтетаза (AceCS2) активируется SIRT3 . Это действие увеличивает активность этого фермента. [2] Точное расположение остатка лизина варьируется между видами, у людей он находится в Lys-642, но всегда присутствует в активном центре фермента. [12] Поскольку существует существенное аллостерическое изменение, которое происходит при связывании молекулы AMP, присутствие AMP может способствовать регуляции фермента. Концентрация AMP должна быть достаточно высокой, чтобы он мог связываться в аллостерическом сайте связывания и позволять другим субстратам проникать в активный центр. Кроме того, ионы меди дезактивируют ацетил-КоА-синтетазу, занимая проксимальный участок активного участка А-кластера, что не позволяет ферменту принимать метильную группу для участия в пути Вуда-Льюнгдаля. [4] Для правильного функционирования, как и во всех ферментах, также необходимо наличие всех реагентов в надлежащей концентрации. Ацетил-КоА-синтетаза также вырабатывается, когда это необходимо для синтеза жирных кислот , но в нормальных условиях ген неактивен и имеет определенные транскрипционные факторы, которые активируют транскрипцию при необходимости. [3] В дополнение к сиртуинам, протеиндеацетилаза (AcuC) также может модифицировать ацетил-КоА-синтетазу по остатку лизина. Однако, в отличие от сиртуинов, AcuC не требует НАД+ в качестве косубстрата. [13]

Роль в экспрессии генов

Хотя активность ацетил-КоА-синтетазы обычно связана с метаболическими путями, фермент также участвует в экспрессии генов. У дрожжей ацетил-КоА-синтетаза доставляет ацетил-КоА к гистонацетилтрансферазам для ацетилирования гистонов. Без правильного ацетилирования ДНК не может должным образом конденсироваться в хроматин , что неизбежно приводит к ошибкам транскрипции. [14]

Промышленное применение

FAEE (C12) получен с использованием биосинтетического пути Кислинга в сконструированной E. coli (A2A). Возможны различные типы в зависимости от количества включенных единиц ацетил-КоА (результат — четное число цепей).
Представительная молекула жирной кислоты (пальмитиновая кислота, C16)

Используя пути, которые используют ацетил-КоА в качестве субстрата, можно получить сконструированные продукты, которые потенциально могут стать потребительскими товарами. Сверхэкспрессируя ген acs и используя ацетат в качестве сырья, можно увеличить производство жирных кислот (ЖК). [15] Использование ацетата в качестве сырья встречается редко, поскольку ацетат является обычным отходом метаболизма E. coli и в высоких концентрациях токсичен для организма. Адаптировав E. coli к использованию ацетата в качестве сырья, эти микробы смогли выжить и производить свои сконструированные продукты. Затем эти жирные кислоты можно было использовать в качестве биотоплива после отделения от среды, требуя дальнейшей обработки ( переэтерификации ) для получения пригодного к использованию биодизельного топлива. Первоначальный протокол адаптации для индукции высоких уровней поглощения ацетата был нововведен в 1959 году как средство для индукции механизмов голодания в E. coli . [16]

Механизм переэтерификации жирной кислоты в сложный эфир

Внутриклеточный

Ацетил-КоА, образующийся в результате распада сахаров в гликолизе, использовался для создания жирных кислот. Однако разница заключается в том, что штамм Кислинга способен синтезировать собственный этанол и далее перерабатывать ( путем переэтерификации ) жирную кислоту для создания стабильных этиловых эфиров жирных кислот (FAEE). Устранение необходимости дальнейшей обработки перед получением пригодного к использованию топливного продукта в дизельных двигателях. [17]

Изменения в правилах относительно E. coli для производства FAEE из ацетата.

Ацетил-КоА используется в производстве как этанола, так и жирных кислот.

Трансэтерификация

Были проведены предварительные исследования, в которых сочетание этих двух методов привело к производству FAEE с использованием ацетата в качестве единственного источника углерода с использованием комбинации методов, описанных выше. [18] [ ненадежный источник ] Уровни производства всех упомянутых методов не достигают уровней, необходимых для крупномасштабного применения (пока).

Ссылки

  1. ^ КЕГГ
  2. ^ ab Schwer B, Bunkenborg J, Verdin RO, Andersen JS, Verdin E (июль 2006 г.). «Обратимое ацетилирование лизина контролирует активность митохондриального фермента ацетил-КоА-синтетазы 2». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (27): 10224–10229. doi : 10.1073/pnas.0603968103 . PMC  1502439. PMID  16788062 .
  3. ^ ab Ikeda Y, Yamamoto J, Okamura M, Fujino T, Takahashi S, Takeuchi K, Osborne TF, Yamamoto TT, Ito S, Sakai J (сентябрь 2001 г.). «Транскрипционная регуляция гена мышиной ацетил-КоА-синтетазы 1 через множественные кластеризованные сайты связывания для белков, связывающих регуляторные элементы стерола, и один соседний сайт для Sp1». Журнал биологической химии . 276 (36): 34259–69. doi : 10.1074/jbc.M103848200 . PMID  11435428.
  4. ^ ab Bramlett MR, Tan X, Lindahl PA (август 2003 г.). «Инактивация ацетил-КоА-синтазы/дегидрогеназы оксида углерода медью». Журнал Американского химического общества . 125 (31): 9316–9317. doi :10.1021/ja0352855. PMID  12889960.
  5. ^ PDB : 1RY2 ​; Jogl G, Tong L (февраль 2004 г.). «Кристаллическая структура дрожжевой ацетил-коэнзим А-синтетазы в комплексе с AMP». Биохимия . 43 (6): 1425–31. doi :10.1021/bi035911a. PMID  14769018.
  6. ↑ Де Сима С, Руа Х, Пердигеро Э, дель Валье П, Бусто Ф, Бароха-Мазо А, де Арриага Д (7 апреля 2005 г.). «Ацетил-КоА-синтетаза, не кодируемая геном facA, экспрессируется при углеродном голодании у Phycomyces blakesleeanus». Исследования в области микробиологии . 156 (5–6): 663–9. дои : 10.1016/j.resmic.2005.03.003 . ПМИД  15921892.
  7. ^ abc PDB : 1PG3 ​; Gulick AM, Starai VJ, Horswill AR, Homick KM, Escalante-Semerena JC (март 2003 г.). «Кристаллическая структура ацетил-КоА-синтетазы 1,75 А, связанная с аденозин-5'-пропилфосфатом и коферментом А». Биохимия . 42 (10): 2866–73. doi :10.1021/bi0271603. PMID  12627952.
  8. ^ Молекулярная графическая система PyMOL, версия 2.0 Schrödinger, LLC.
  9. ^ ab Mews P, Donahue G, Drake AM, Luczak V, Abel T, Berger SL (июнь 2017 г.). «Ацетил-КоА-синтетаза регулирует ацетилирование гистонов и память гиппокампа». Nature . 546 (7658): 381–386. doi :10.1038/nature22405. PMC 5505514 . PMID  28562591. 
  10. ^ Bae JM, Kim JH, Oh HJ, Park HE, Lee TH, Cho NY, Kang GH (февраль 2017 г.). «Понижение уровня ацетил-КоА-синтетазы 2 является метаболическим признаком прогрессирования опухоли и агрессивности при колоректальной карциноме». Modern Pathology . 30 (2): 267–277. doi : 10.1038/modpathol.2016.172 . PMID  27713423. S2CID  2474320.
  11. ^ Zhang S, He J, Jia Z, Yan Z, Yang J (март 2018 г.). «Ацетил-КоА-синтетаза 2 усиливает опухолеобразование и является показателем плохого прогноза для пациентов с почечно-клеточной карциномой». Urologic Oncology . 36 (5): 243.e9–243.e20. doi :10.1016/j.urolonc.2018.01.013. PMID  29503142.
  12. ^ Hallows WC, Lee S, Denu JM (июль 2006 г.). «Сиртуины деацетилируют и активируют ацетил-КоА-синтетазы млекопитающих». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (27): 10230–10235. doi : 10.1073/pnas.0604392103 . PMC 1480596. PMID  16790548. 
  13. ^ Gardner JG, Grundy FJ, Henkin TM, Escalante-Semerena JC (август 2006 г.). «Контроль активности ацетил-коэнзима А-синтетазы (AcsA) путем ацетилирования/деацетилирования без участия NAD(+) в Bacillus subtilis». Журнал бактериологии . 188 (15): 5460–8. doi :10.1128/JB.00215-06. PMC 1540023. PMID  16855235 . 
  14. ^ Takahashi H, McCaffery JM, Irizarry RA, Boeke JD (июль 2006 г.). «Нуклеоцитозольная ацетил-коэнзим а-синтетаза необходима для ацетилирования гистонов и глобальной транскрипции». Molecular Cell . 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). «Инженерия Escherichia coli для преобразования уксусной кислоты в свободные жирные кислоты». Biochemical Engineering Journal . 76 : 60–69. doi :10.1016/j.bej.2013.04.013.
  16. ^ Glasky AJ, Rafelson ME (август 1959). «Использование ацетата-C14 Escherichia coli, выращенной на ацетате, в качестве единственного источника углерода». Журнал биологической химии . 234 (8): 2118–22. doi : 10.1016/S0021-9258(18)69876-X . PMID  13673023.
  17. ^ Steen EJ, Kang Y, Bokinsky G, Hu Z, Schirmer A, McClure A, Del Cardayre SB, Keasling JD (январь 2010 г.). «Микробное производство топлива и химикатов на основе жирных кислот из растительной биомассы». Nature . 463 (7280): 559–62. doi :10.1038/nature08721. PMID  20111002. S2CID  4425677.
  18. ^ Banuelos S, Cervantes E, Perez E, Tang S (март 2017 г.). От токсичного побочного продукта к биотопливу: адаптация модифицированной Escherichia coli для производства этиловых эфиров жирных кислот из ацетата. Курс Стэнфордского университета: CHEMENG 185B (отчет).