Ацетил-КоА-синтетаза
Ацетил-КоА-синтетаза (ACS) или ацетат-КоА-лигаза представляет собой фермент ( EC 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
[ редактировать ]Две соединенные молекулы, составляющие ацетил-КоА, представляют собой ацетат и кофермент А (КоА). Полная реакция со всеми включенными субстратами и продуктами:
- АТФ + Ацетат + КоА → АМФ + Пирофосфат + Ацетил-КоА [ 1 ]
После образования ацетил-КоА его можно использовать в цикле ТСА при аэробном дыхании для производства энергии и переносчиков электронов. Это альтернативный метод запуска цикла, поскольку более распространенным способом является получение ацетил-КоА из пирувата через комплекс пируватдегидрогеназы . Активность фермента осуществляется в митохондриальном матриксе , поэтому продукты находятся в нужном месте для использования на следующих метаболических этапах. [ 2 ] Ацетил-Ко-А также можно использовать в синтезе жирных кислот , и общей функцией синтетазы является производство ацетил-Ко-А для этой цели. [ 3 ]
Реакция, катализируемая ацетил-КоА-синтетазой, протекает в две стадии. Во-первых, АМФ должен быть связан с ферментом, чтобы вызвать конформационные изменения в активном центре , которые позволяют протекать реакции. Активный сайт называется А-кластером. [ 4 ] В активном центре должен присутствовать решающий остаток лизина , чтобы катализировать первую реакцию, в которой связывается Ко-А. Затем Со-А поворачивается в активном центре в положение, в котором ацетат может ковалентно связываться с КоА. Ковалентная связь образуется между атомом серы в Со-А и центральным атомом углерода ацетата. [ 5 ]
Форма ацетил-КоА-синтетазы ACS1 кодируется геном facA, который активируется ацетатом и деактивируется глюкозой. [ 6 ]
Структура
Трехмерная структура асимметричной ACS (идентификатор RCSB PDB: 1PG3) показывает, что она состоит из двух субъединиц. Каждая субъединица состоит в основном из двух доменов. Более крупный N-концевой домен состоит из 517 остатков, а меньший С-концевой домен состоит из 130 остатков. [ 7 ] Каждая субъединица имеет активный сайт , в котором удерживаются лиганды. Кристаллическую структуру АКС определяли с помощью КоА 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 АМФ/АТФ удерживается в гидрофобном кармане, образованном остатками Ile (512) и Trp (413). [ 7 ]
Источником кристаллической структуры является организм Salmonella typhimurium (штамм LT2/SGSC1412/ATCC 700720). Ген ACS затем трансфицировали в Escherichia coli BL21(DE3) для экспрессии. При хроматографии в процессе выделения фермента субъединицы выделялись индивидуально, и общая структура определялась отдельно. [ 7 ] Для определения структуры использовался метод рентгеновской дифракции с разрешением 2,3 ангстрема. Значения и углы элементарной ячейки представлены в следующей таблице:


Длина (Å) | Угол (°) |
---|---|
а = 59,981 | а= 90,00 |
б= 143,160 | β= 91,57 |
с = 71,934 | с= 90,00 |
Функция
[ редактировать ]Роль фермента ACS заключается в объединении ацетата и кофермента А с образованием ацетил-КоА, однако его значение гораздо больше. Наиболее известной функцией продукта этой ферментативной реакции является использование ацетил-КоА в цикле ТСА, а также в производстве жирных кислот . Этот фермент жизненно важен для ацетилирования гистонов, а также для регуляции генов. [ 9 ] Эффект этого ацетилирования имеет далеко идущие последствия у млекопитающих. Было показано, что подавление гена acs в области гиппокампа мышей приводит к снижению уровня ацетилирования гистонов, но также ухудшает долговременную пространственную память животного. Этот результат указывает на связь между клеточным метаболизмом, регуляцией генов и когнитивной функцией. [ 9 ] Было показано, что этот фермент является интересным биомаркером наличия опухолей при колоректальном раке. Когда ген присутствует, клетки способны поглощать ацетат в качестве источника пищи, чтобы преобразовать его в ацетил-КоА во время стрессовых состояний. В случаях опухолей карциномы на поздних стадиях гены этого фермента были подавлены, что указывало на плохую 5-летнюю выживаемость . [ 10 ] Экспрессия фермента также связана с развитием метастатических опухолевых узлов, что приводит к плохой выживаемости пациентов с почечно-клеточным раком. [ 11 ]
Регулирование
[ редактировать ]Активность фермента контролируют несколькими способами. Незаменимый остаток лизина в активном центре играет важную роль в регуляции активности. Молекула лизина может быть деацетилирована ферментом другого класса, называемым сиртуинами . У млекопитающих цитоплазматическая ядерная синтетаза (AceCS1) активируется SIRT1 , тогда как митохондриальная синтетаза (AceCS2) активируется SIRT3 . Это действие увеличивает активность этого фермента. [ 2 ] Точное расположение остатка лизина варьируется у разных видов, у людей он встречается на уровне Lys-642, но всегда присутствует в активном центре фермента. [ 12 ] Поскольку при связывании молекулы АМФ происходит существенное аллостерическое изменение, присутствие АМФ может способствовать регуляции фермента. Концентрация АМФ должна быть достаточно высокой, чтобы он мог связываться в аллостерическом сайте связывания и позволять другим субстратам проникать в активный сайт. Кроме того, ионы меди дезактивируют ацетил-Ко-А-синтетазу, занимая проксимальный участок активного сайта А-кластера, что не позволяет ферменту принять метильную группу для участия в пути Вуда-Люнгдала. [ 4 ] Присутствие всех реагентов в правильной концентрации также необходимо для правильного функционирования, как и во всех ферментах. Ацетил-КоА-синтетаза также вырабатывается, когда она необходима для синтеза жирных кислот , но в нормальных условиях ген неактивен и имеет определенные транскрипционные факторы, которые при необходимости активируют транскрипцию. [ 3 ] Помимо сиртуинов, протеиндеацетилаза (AcuC) также может модифицировать ацетил-КоА-синтетазу по остатку лизина. Однако, в отличие от сиртуинов, AcuC не нуждается в НАД+ в качестве косубстрата. [ 13 ]
Роль в экспрессии генов
[ редактировать ]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 гистон-ацетилтрансферазам для ацетилирования гистонов. Без правильного ацетилирования ДНК не может должным образом конденсироваться в хроматин , что неизбежно приводит к ошибкам транскрипции. [ 14 ]
Промышленное применение
[ редактировать ]
Воспользовавшись преимуществами путей, использующих ацетил-КоА в качестве субстрата, можно получить инженерные продукты, которые потенциально могут стать потребительскими товарами. Путем сверхэкспрессии гена acs и использования ацетата в качестве сырья можно увеличить выработку жирных кислот (ЖК). [ 15 ] Использование ацетата в качестве исходного сырья встречается редко, поскольку ацетат является обычным отходом метаболизма E. coli и в высоких концентрациях токсичен для организма. Приспособив кишечную палочку к использованию ацетата в качестве сырья, эти микробы смогли выжить и производить свои модифицированные продукты. Эти жирные кислоты затем можно использовать в качестве биотоплива после отделения от среды, требуя дальнейшей обработки ( переэтерификации ) для получения пригодного к использованию биодизельного топлива. Оригинальный протокол адаптации для индукции высокого уровня поглощения ацетата был разработан в 1959 году как средство, индуцирующее механизмы голодания у E. coli . [ 16 ]

Внутриклеточный
[ редактировать ]
Ацетил-КоА, образующийся при расщеплении сахаров при гликолизе, использовался для образования жирных кислот. Однако разница заключается в том, что штамм Кислинга способен синтезировать собственный этанол и перерабатывать ( путем переэтерификации ) жирные кислоты для создания стабильных этиловых эфиров жирных кислот (FAEE). Устранение необходимости дальнейшей обработки перед получением годного к использованию топливного продукта в дизельных двигателях. [ 17 ]

Ацетил-КоА используется при производстве этанола и жирных кислот.
Трансэтерификация
[ редактировать ]
Были проведены предварительные исследования, в которых сочетание этих двух методов привело к получению 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 уровня, необходимого для крупномасштабных применений (пока).
Ссылки
[ редактировать ]- ^ КЕГГ
- ^ Перейти обратно: а б Швер Б., Банкенборг Дж., Вердин Р.О., Андерсен Дж.С., Вердин Э. (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. дои : 10.1073/pnas.0603968103 . ПМЦ 1502439 . ПМИД 16788062 .
- ^ Перейти обратно: а б Икеда Ю., Ямамото Дж., Окамура М., Фуджино Т., Такахаси С., Такеучи К., Осборн Т.Ф., Ямамото Т.Т., Ито С., Сакаи Дж. (сентябрь 2001 г.). «Регуляция транскрипции гена мышиной ацетил-КоА-синтетазы 1 через несколько кластерных сайтов связывания для белков, связывающих регуляторные элементы стерола, и один соседний сайт для Sp1» . Журнал биологической химии . 276 (36): 34259–69. дои : 10.1074/jbc.M103848200 . ПМИД 11435428 .
- ^ Перейти обратно: а б Брамлетт М.Р., Тан X, Линдал П.А. (август 2003 г.). «Инактивация ацетил-КоА-синтазы/дегидрогеназы монооксида углерода медью» . Журнал Американского химического общества . 125 (31): 9316–7. дои : 10.1021/ja0352855 . ПМИД 12889960 .
- ^ PDB : 1RY2 ; Джогл Г., Тонг Л. (февраль 2004 г.). «Кристаллическая структура дрожжевой ацетил-коэнзима А-синтетазы в комплексе с АМФ». Биохимия . 43 (6): 1425–31. дои : 10.1021/bi035911a . ПМИД 14769018 .
- ^ 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 .
- ^ Перейти обратно: а б с ВВП : 1PG3 ; Гулик А.М., Старай В.Дж., Хорсвилл А.Р., Хомик К.М., Эскаланте-Семерена Дж.К. (март 2003 г.). «Кристаллическая структура 1,75 А ацетил-КоА-синтетазы, связанной с аденозин-5'-пропилфосфатом и коферментом А». Биохимия . 42 (10): 2866–73. дои : 10.1021/bi0271603 . ПМИД 12627952 .
- ^ Система молекулярной графики PyMOL, версия 2.0 Schrödinger, LLC.
- ^ Перейти обратно: а б Мьюс П., Донахью Г., Дрейк А.М., Лузак В., Абель Т., Бергер С.Л. (июнь 2017 г.). «Ацетил-КоА-синтетаза регулирует ацетилирование гистонов и память гиппокампа» . Природа . 546 (7658): 381–386. дои : 10.1038/nature22405 . ПМК 5505514 . ПМИД 28562591 .
- ^ Пэ Дж.М., Ким Дж.Х., О Х.Дж., Пак Х.Э., Ли Т.Х., Чо Нью-Йорк, Кан Г.Х. (февраль 2017 г.). «Понижение уровня ацетил-КоА-синтетазы 2 является метаболическим признаком прогрессирования и агрессивности опухоли при колоректальной карциноме» . Современная патология . 30 (2): 267–277. дои : 10.1038/modpathol.2016.172 . ПМИД 27713423 . S2CID 2474320 .
- ^ Чжан С., Хэ Дж., Цзя З., Ян З., Ян Дж. (март 2018 г.). «Ацетил-КоА-синтетаза 2 усиливает онкогенез и указывает на плохой прогноз для пациентов с почечно-клеточной карциномой». Урологическая онкология . 36 (5): 243.e9–243.e20. дои : 10.1016/j.urolonc.2018.01.013 . ПМИД 29503142 .
- ^ Hallows WC, Ли С., Дену Дж. М. (июль 2006 г.). «Сиртуины деацетилируют и активируют ацетил-КоА-синтетазу млекопитающих» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (27): 10230–10235. дои : 10.1073/pnas.0604392103 . ПМЦ 1480596 . ПМИД 16790548 .
- ^ Гарднер Дж.Г., Гранди Ф.Дж., Хенкин Т.М., Эскаланте-Семерена Дж.К. (август 2006 г.). «Контроль активности ацетил-коэнзима А-синтетазы (AcsA) путем ацетилирования/деацетилирования без участия НАД (+) в Bacillus subtilis» . Журнал бактериологии . 188 (15): 5460–8. дои : 10.1128/JB.00215-06 . ПМК 1540023 . ПМИД 16855235 .
- ^ Такахаши Х., Маккаффери Дж.М., Иризарри Р.А., Буке Дж.Д. (июль 2006 г.). «Нуклеоцитозольная ацетил-кофермент а-синтетаза необходима для ацетилирования гистонов и глобальной транскрипции» . Молекулярная клетка . 23 (2): 207–17. doi : 10.1016/j.molcel.2006.05.040 . ПМИД 16857587 .
- ^ Сяо Ю, Жуань З, Лю З, Ву С.Г., Варман А.М., Лю Ю, Тан Ю.Дж. (2013). «Разработка Escherichia coli для преобразования уксусной кислоты в свободные жирные кислоты». Журнал биохимической инженерии . 76 : 60–69. дои : 10.1016/j.bej.2013.04.013 .
- ^ Гласки А.Дж., Рафельсон М.Е. (август 1959 г.). «Использование ацетата-C14 Escherichia coli, выращенной на ацетате, в качестве единственного источника углерода» . Журнал биологической химии . 234 (8): 2118–22. дои : 10.1016/S0021-9258(18)69876-X . ПМИД 13673023 .
- ^ Стин Э.Дж., Кан Ю., Бокински Г., Ху З., Ширмер А., МакКлюр А., Дель Кардайр С.Б., Кислинг Дж.Д. (январь 2010 г.). «Микробное производство топлива и химикатов на основе жирных кислот из растительной биомассы». Природа . 463 (7280): 559–62. дои : 10.1038/nature08721 . ПМИД 20111002 . S2CID 4425677 .
- ^ Бануэлос С., Сервантес Е., Перес Е., Тан С. (март 2017 г.). От токсичных побочных продуктов к биотопливу: адаптация модифицированной Escherichia coli для производства этиловых эфиров жирных кислот из ацетата. Курс Стэнфордского университета: CHEMENG 185B (Отчет).