Субъединица биотинкарбоксилазы ацетил-КоА-карбоксилазы E. coli- Субъединица белка-переносчика биотин-карбоксила ацетил-КоА-карбоксилазы E. coli
- Субъединица карбоксилтрансферазы ацетил-КоА-карбоксилазы E. coli
Ацетил-КоА-карбоксилаза ( АСС ) является биотин -зависимым ферментом ( EC 6.4.1.2), который катализирует необратимое карбоксилирование ацетил -КоА для получения малонил-КоА посредством двух своих каталитических активностей, биотинкарбоксилазы ( BC ) и карбоксилтрансферазы ( CT ). АСС является многосубъединичным ферментом в большинстве прокариот и в хлоропластах большинства растений и водорослей, тогда как это большой многодоменный фермент в цитоплазме большинства эукариот . Наиболее важной функцией АСС является предоставление субстрата малонил-КоА для биосинтеза жирных кислот . [1] Активность АСС может контролироваться на уровне транскрипции, а также с помощью модуляторов малых молекул и ковалентной модификации . Геном человека содержит гены для двух различных АСС [2] — ACACA [3] и ACACB . [4]
Прокариоты и растения имеют многосубъединичные ACC, состоящие из нескольких полипептидов. Активность биотинкарбоксилазы (BC), биотинкарбоксилпереносящий белок (BCCP) и активность карбоксилтрансферазы (CT) содержатся в разных субъединицах. Стехиометрия этих субъединиц в голоферменте ACC различается у разных организмов. [1] У людей и большинства эукариот развилась ACC с каталитическими доменами CT и BC и доменами BCCP на одном полипептиде. Большинство растений также имеют эту гомомерную форму в цитозоле. [5] Функциональные области ACC, начиная с N-конца до C-конца, — это биотинкарбоксилаза (BC), связывание биотина (BB), карбоксилтрансфераза (CT) и связывание АТФ (AB). AB находится в BC. Биотин ковалентно присоединен через амидную связь к длинной боковой цепи лизина, находящегося в BB. Поскольку BB находится между областями BC и CT, биотин может легко перемещаться в оба активных центра, где он необходим.
У млекопитающих, у которых экспрессируются две изоформы ACC, основным структурным различием между этими изоформами является удлиненный N-конец ACC2, содержащий последовательность митохондриального нацеливания . [1]
Полипептиды, составляющие мультисубъединичные ACC прокариот и растений , кодируются различными генами. В Escherichia coli accA кодирует альфа-субъединицу ацетил-КоА-карбоксилазы, [6] а accD кодирует ее бета-субъединицу. [7]
Общая реакция ACAC(A,B) протекает по двухстадийному механизму. [8] Первая реакция осуществляется BC и включает АТФ-зависимое карбоксилирование биотина с бикарбонатом, служащим источником CO2 . Карбоксильная группа переносится с биотина на ацетил-КоА с образованием малонил-КоА во второй реакции, которая катализируется CT.
В активном центре реакция протекает с обширным взаимодействием остатков Glu296 и положительно заряженных Arg338 и Arg292 с субстратами. [9] Два Mg2 + координируются фосфатными группами на АТФ и требуются для связывания АТФ с ферментом. Бикарбонат депротонируется Glu296, хотя в растворе этот перенос протона маловероятен, поскольку pKa бикарбоната составляет 10,3. Фермент, по-видимому, манипулирует pKa, чтобы облегчить депротонирование бикарбоната. pKa бикарбоната уменьшается за счет его взаимодействия с положительно заряженными боковыми цепями Arg338 и Arg292. Кроме того, Glu296 взаимодействует с боковой цепью Glu211, взаимодействие, которое, как было показано, вызывает увеличение кажущегося pKa. После депротонирования бикарбоната кислород бикарбоната действует как нуклеофил и атакует гамма-фосфат на АТФ. Промежуточный карбоксифосфат быстро распадается на CO2 и PO43− . PO43− депротонирует биотин, создавая енолят, стабилизированный Arg338, который впоследствии атакует CO2 , что приводит к образованию карбоксибиотина. [9] Карбоксибиотин перемещается в активный центр карбоксилтрансферазы (CT), где карбоксильная группа переносится на ацетил-КоА. В отличие от домена BC, о механизме реакции CT известно немного. Предложенный механизм заключается в высвобождении CO2 из биотина, который впоследствии отрывает протон от метильной группы от ацетил-КоА-карбоксилазы. Полученный енолят атакует CO2 , образуя малонил-КоА. В конкурирующем механизме отрыв протона согласуется с атакой ацетил-КоА.
Функция ACC заключается в регулировании метаболизма жирных кислот. Когда фермент активен, вырабатывается продукт, малонил-КоА, который является строительным блоком для новых жирных кислот и может ингибировать перенос жирной ацильной группы от ацил-КоА к карнитину с помощью карнитин-ацилтрансферазы , которая ингибирует бета-окисление жирных кислот в митохондриях .
У млекопитающих экспрессируются две основные изоформы ACC, ACC1 и ACC2, которые различаются как по распределению в тканях, так и по функциям. ACC1 обнаруживается в цитоплазме всех клеток, но обогащена липогенной тканью, такой как жировая ткань и лактирующие молочные железы , где важен синтез жирных кислот. [10] В окислительных тканях, таких как скелетные мышцы и сердце , соотношение экспрессируемого ACC2 выше. ACC1 и ACC2 оба высоко экспрессируются в печени , где важны как окисление, так и синтез жирных кислот. [11] Различия в распределении тканей указывают на то, что ACC1 поддерживает регуляцию синтеза жирных кислот , тогда как ACC2 в основном регулирует окисление жирных кислот (бета-окисление).
Митохондриальная изоформа ACC1 (mACC1) играет частично избыточную роль в синтезе липоевой кислоты и, таким образом, в липоилировании белка, предоставляя малонил-КоА для синтеза митохондриальных жирных кислот (mtFASII) совместно с ACSF3 . [12] [13]
Регуляция АКК у млекопитающих сложна, поскольку она контролирует два различных пула малонил-КоА, которые направляют либо ингибирование бета-окисления, либо активацию биосинтеза липидов. [14]
ACC1 и ACC2 млекопитающих регулируются транскрипционно несколькими промоторами , которые опосредуют обилие ACC в ответ на состояние питания клеток. Активация экспрессии генов через различные промоторы приводит к альтернативному сплайсингу ; однако физиологическое значение конкретных изоферментов ACC остается неясным. [11] Чувствительность к состоянию питания является результатом контроля этих промоторов транскрипционными факторами, такими как белок 1, связывающий регуляторный элемент стерола , контролируемый инсулином на уровне транскрипции, и ChREBP , экспрессия которого увеличивается при диете с высоким содержанием углеводов . [15] [16]
Через петлю прямой связи цитрат аллостерически активирует ACC. [17] Цитрат может усиливать полимеризацию ACC , увеличивая ферментативную активность; однако неясно, является ли полимеризация основным механизмом цитрата для увеличения активности ACC или полимеризация является артефактом экспериментов in vitro. Другие аллостерические активаторы включают глутамат и другие дикарбоновые кислоты . [18] Длинно- и короткоцепочечные жирные ацил-КоА являются ингибиторами отрицательной обратной связи ACC. [19] Одним из таких отрицательных аллостерических модуляторов является пальмитоил-КоА. [20]
Фосфорилирование может происходить, когда гормоны глюкагон [21] или адреналин [22] связываются с рецепторами на поверхности клетки , но основная причина фосфорилирования связана с повышением уровня AMP, когда энергетический статус клетки низкий, что приводит к активации AMP -активируемой протеинкиназы (AMPK). AMPK является основным регулятором киназы ACC, способным фосфорилировать ряд остатков серина на обеих изоформах ACC. [23] На ACC1 AMPK фосфорилирует Ser79, Ser1200 и Ser1215. Протеинкиназа A также обладает способностью фосфорилировать ACC, с гораздо большей способностью фосфорилировать ACC2, чем ACC1. Ser80 и Ser1263 на ACC1 также могут служить местом фосфорилирования в качестве регуляторного механизма. [24] Однако физиологическое значение протеинкиназы A в регуляции ACC в настоящее время неизвестно. Исследователи предполагают, что существуют и другие киназы ACC, важные для его регуляции, поскольку на ACC есть много других возможных участков фосфорилирования. [25]
Когда инсулин связывается со своими рецепторами на клеточной мембране , он активирует фермент фосфатазы, называемый протеинфосфатазой 2A (PP2A), для дефосфорилирования фермента; тем самым устраняя ингибирующий эффект. Кроме того, инсулин индуцирует фосфодиэстеразу, которая снижает уровень цАМФ в клетке, тем самым ингибируя PKA, а также напрямую ингибирует AMPK. [ необходима цитата ]
Этот белок может использовать модель аллостерической регуляции морфеина . [26]
На стыке липидного синтеза и путей окисления ACC представляет множество клинических возможностей для производства новых антибиотиков и разработки новых методов лечения диабета , ожирения и других проявлений метаболического синдрома . [27] Исследователи стремятся воспользоваться структурными различиями между бактериальными и человеческими ACC, чтобы создать антибиотики, специфичные для бактериального ACC, в целях минимизации побочных эффектов для пациентов. Многообещающие результаты для полезности ингибитора ACC включают открытие того, что у мышей без экспрессии ACC2 наблюдается непрерывное окисление жирных кислот, снижение массы жира в организме и снижение веса тела, несмотря на увеличение потребления пищи. Эти мыши также защищены от диабета. [14] Отсутствие ACC1 у мутантных мышей является смертельным уже на эмбриональной стадии. Однако неизвестно, должны ли препараты, нацеленные на ACC у людей, быть специфичными для ACC2. [28]
Фирсокостат (ранее GS-976, ND-630, NDI-010976) является мощным аллостерическим ингибитором ACC, действующим на домен BC ACC. [29] Фирсокостат находится в стадии разработки в 2019 году (фаза II) [30] фармацевтической компанией Gilead как часть комбинированного лечения неалкогольного стеатогепатита (НАСГ), который, как полагают, становится все более распространенной причиной печеночной недостаточности. [31]
Кроме того, селективные для растений ингибиторы АЦК широко используются в качестве гербицидов [32] , что предполагает их клиническое применение против паразитов Apicomplexa , которые полагаются на изоформу АЦК растительного происхождения [33] , включая малярию .
Гетерогенные клинические фенотипы метаболического заболевания, сочетанного с малоновой и метилмалоновой ацидурией (CMAMMA), вызванного дефицитом ACSF3, как полагают, являются результатом частичной компенсации митохондриальной изоформы ACC1 (mACC1) дефицита ACSF3 в митохондриальном синтезе жирных кислот (mtFASII). [34]
