Ацетил-КоА синтетаза - Acetyl-CoA synthetase

Ацетат-КоА лигаза
Идентификаторы
Номер ЕС6.2.1.1
Количество CAS9012-31-1
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

Ацетил-КоА синтетаза (ACS) или Ацетат-КоА лигаза является фермент (EC 6.2.1.1 ) участвует в метаболизме ацетата. Это в лигаза класс ферментов, что означает, что он катализирует образование новой химической связи между двумя большими молекулами.

Реакция

Две соединенные вместе молекулы, составляющие Ацетил-КоА: ацетат и кофермент А (CoA). Полная реакция со всеми включенными субстратами и продуктами:

АТФ + Ацетат + КоА <=> AMP + Пирофосфат + Ацетил-КоА [1]

После образования ацетил-КоА его можно использовать в Цикл TCA при аэробном дыхании для выработки переносчиков энергии и электронов. Это альтернативный метод запуска цикла, поскольку более распространенным способом является производство ацетил-КоА из пируват сквозь пируватдегидрогеназный комплекс. Активность фермента проявляется в митохондриальный матрикс так, чтобы продукты находились в надлежащем месте для использования на следующих этапах метаболизма.[2] Ацетил-Co-A также можно использовать в синтез жирных кислот, и обычная функция синтетазы заключается в производстве ацетил-Со-А для этой цели.[3]

Реакция, катализируемая ацетил-КоА синтетазой, протекает в два этапа. Первый, AMP должны быть связаны ферментом, чтобы вызвать конформационное изменение в активный сайт, что позволяет реакции происходить. Активный сайт называется A-кластером.[4] Решающий лизин Остаток должен присутствовать в активном центре, чтобы катализировать первую реакцию, в которой связан Со-А. Затем Co-A поворачивается в активном центре в положение, в котором ацетат может ковалентно связываться с CoA. Ковалентная связь образуется между атомом серы в Со-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 асимметричной ACS (идентификационный номер 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, тогда как меньший C-концевой домен состоит из 130 остатков.[7] Каждая подблок имеет активный сайт где удерживаются лиганды. В кристаллизованный Структура ACS была определена с CoA и аденозин-5'-пропилфосфатом, связанным с ферментом. Причина использования аденозин-5'-пропилфосфата заключается в том, что это АТФ. конкурентный ингибитор что 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 трансфицировали в Escherichia coli BL21 (DE3) для экспрессии. Во время хроматографии в процессе выделения фермента субъединицы выделялись индивидуально, и общая структура определялась отдельно.[7] Метод, использованный для определения структуры, был дифракция рентгеновских лучей с разрешением 2,3 ангстрем. Значения элементарной ячейки и углы приведены в следующей таблице:

3D-структура САУ (1PG3) с помощью программы PyMol.[8]
Осевой вид ACS (1PG3), показывающий лиганды, связанные с активным сайтом. Лиганды, используемые для кристаллизации (на изображении), представляют собой аденозин-5'-пропилфосфат, КоА и этандиол.
Ячейка
Длина (Å)Угол (°)
а = 59,981α = 90,00
б = 143,160β = 91,57
с = 71,934γ = 90,00

Функция

Роль фермента ACS заключается в объединении ацетата и КоА с образованием ацетил-КоА, однако его значение намного больше. Наиболее известной функцией продукта этой ферментативной реакции является использование Ацетил-КоА в роли Цикл TCA а также в производство жирной кислоты. Этот фермент жизненно важен для действия ацетилирование гистонов а также генная регуляция.[9] Эффект, который оказывает это ацетилирование, имеет далеко идущие последствия для млекопитающих. Было показано, что подавление гена acs в гиппокамп области у 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 колоректальной карциноме. Когда ген присутствует, клетки могут принимать ацетат в качестве источника пищи, чтобы преобразовать его в ацетил-КоА в стрессовых условиях. В случаях прогрессирующих карциномных опухолей гены этого фермента подавлялись, что указывало на плохое 5-летняя выживаемость.[10] Экспрессия фермента также была связана с развитием метастатических опухолевых узлов, что привело к плохой выживаемости у пациентов с почечно-клеточным раком.[11]

Регулирование

Активность фермента контролируется несколькими способами. Жизненноважный лизин Остаток в активном центре играет важную роль в регуляции активности. Молекула лизина может быть деацетилирована другим классом ферментов, называемых сиртуины. У млекопитающих цитоплазматическая ядерная синтетаза (AceCS1) активируется посредством SIRT1 в то время как митохондриальная синтетаза (AceCS2) активируется SIRT3. Это действие увеличивает активность этого фермента.[2] Точное расположение остатка лизина варьируется между видами, встречается в Lys-642 у человека, но всегда присутствует в активном центре фермента.[12]Поскольку существует существенная аллостерический 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 сайт. Кроме того, ионы меди дезактивируют ацетил-Ко-А-синтетазу, занимая проксимальный сайт активного центра А-кластера, что не позволяет ферменту принимать метильную группу для участия в пути Вуда-Люнгдаля.[4]Присутствие всех реагентов в нужной концентрации также необходимо для правильного функционирования, как и у всех ферментов. Ацетил-КоА-синтетаза также производится, когда она необходима для синтез жирных кислот, но в нормальных условиях ген неактивен и имеет определенные факторы транскрипции, которые при необходимости активируют транскрипцию.[3]Помимо сиртуинов, протеин-деацетилаза (AcuC) также может модифицировать ацетил-КоА-синтетазу по остатку лизина. Однако, в отличие от сиртуинов, AcuC не требует NAD + в качестве косубстрата.[13]

Роль в экспрессии генов

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

Промышленное применение

FAEE (C12), полученный с использованием биосинтетического пути Кизлинга в инженерных Кишечная палочка (A2A). Возможны различные типы в зависимости от количества включенных единиц ацетил-КоА (в результате получаются четные числовые цепочки).
Типичная молекула жирной кислоты (пальмитиновая кислота, C16)

Используя преимущества путей, которые используют ацетил-КоА в качестве субстрата, можно получить сконструированные продукты, которые потенциально могут стать потребительскими продуктами. За счет сверхэкспрессии гена acs и использования ацетата в качестве сырья можно увеличить производство жирных кислот (ЖК).[15] Использование ацетата в качестве исходного сырья встречается редко, поскольку ацетат является обычным отходом производства. Кишечная палочка метаболизм и токсичен для организма на высоких уровнях. Адаптировав E. coli к использованию ацетата в качестве сырья, эти микробы смогли выжить и производить свои искусственно созданные продукты. Эти жирные кислоты могут затем использоваться в качестве биотоплива после отделения от среды, что требует дальнейшей обработки (переэтерификация ) для получения годного к употреблению биодизельного топлива. Первоначальный протокол адаптации для индуцирования высоких уровней поглощения ацетата был изобретен в 1959 году как средство для активации механизмов голодания у Кишечная палочка.[16]

Механизм переэтерификации жирной кислоты в сложноэфирный

Внутриклеточный

Ацетил-КоА, образующийся при расщеплении сахаров при гликолизе, был использован для образования жирных кислот. Однако разница заключается в том, что штамм Кислинга способен синтезировать собственный этанол и обрабатывать (путем переэтерификации ) жирную кислоту для создания стабильных этиловых эфиров жирных кислот (FAEE). Устранение необходимости дальнейшей обработки перед получением годного к употреблению топливного продукта в дизельных двигателях.[17]

Изменения в правилах на Кишечная палочка для изготовления фэээ из ацетата.

Ацетил-КоА, используемый в производстве этанола и жирных кислот.

Трансэтерификация

Были проведены предварительные исследования, в которых комбинация этих двух методов привела 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 дотягивают до уровней, требуемых для крупномасштабных приложений (пока).

Рекомендации

  1. ^ КЕГГ
  2. ^ а б Швер Б., Бункенборг 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. ЧВК  1502439. PMID  16788062.
  3. ^ а б Икеда Ю., Ямамото Дж., Окамура М., Фуджино Т., Такахаши С., Такеучи К., Осборн Т.Ф., Ямамото Т.Т., Ито С., Сакаи Дж. (Сентябрь 2001 г.). «Регуляция транскрипции гена ацетил-КоА-синтетазы 1 мыши через несколько кластерных сайтов связывания для белков, связывающих регуляторный элемент стерола, и одного соседнего сайта для Sp1». Журнал биологической химии. 276 (36): 34259–69. Дои:10.1074 / jbc.M103848200. PMID  11435428.
  4. ^ а б Bramlett MR, Tan X, Lindahl PA (август 2003 г.). «Инактивация ацетил-КоА-синтазы / дегидрогеназы монооксида углерода медью». Журнал Американского химического общества. 125 (31): 9316–7. Дои:10.1021 / ja0352855. PMID  12889960.
  5. ^ PDB: 1RY2​; Джогл Г., Тонг Л. (февраль 2004 г.). «Кристаллическая структура дрожжевой ацетил-кофермент А синтетазы в комплексе с АМФ». Биохимия. 43 (6): 1425–31. Дои:10.1021 / bi035911a. PMID  14769018.
  6. ^ De Cima S, Rúa J, Perdiguero E, del Valle P, Busto F, Baroja-Mazo A, de Arriaga D (7 апреля 2005 г.). «Ацетил-КоА-синтетаза, не кодируемая геном facA, экспрессируется в условиях углеродного голодания у Phycomyces blakesleeanus». Исследования в области микробиологии. 156 (5–6): 663–9. Дои:10.1016 / j.resmic.2005.03.003. PMID  15921892.
  7. ^ а б c PDB: 1PG3​; Гулик А.М., Старый В.Дж., Хорсвилл А.Р., Хомик К.М., Эскаланте-Семерена Дж.С. (март 2003 г.). «Кристаллическая структура 1,75 А ацетил-КоА синтетазы, связанная с аденозин-5'-пропилфосфатом и коферментом А». Биохимия. 42 (10): 2866–73. Дои:10.1021 / bi0271603. PMID  12627952.
  8. ^ Система молекулярной графики PyMOL, версия 2.0 Schrödinger, LLC.
  9. ^ а б Mews P, Donahue G, Drake AM, Luczak V, Abel T, Berger SL (июнь 2017 г.). «Ацетил-КоА-синтетаза регулирует ацетилирование гистонов и память гиппокампа». Природа. 546 (7658): 381–386. Дои:10.1038 / природа22405. ЧВК  5505514. PMID  28562591.
  10. ^ Bae JM, Kim JH, Oh HJ, Park HE, Lee TH, Cho NY, Kang GH (февраль 2017 г.). «Подавление ацетил-КоА синтетазы 2 является метаболическим признаком прогрессирования опухоли и агрессивности колоректальной карциномы». Современная патология. 30 (2): 267–277. Дои:10.1038 / modpathol.2016.172. PMID  27713423.
  11. ^ Чжан С., Хе 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. 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. Дои:10.1073 / pnas.0604392103. ЧВК  1480596. PMID  16790548.
  13. ^ Gardner JG, Grundy FJ, Henkin TM, Escalante-Semerena JC (август 2006 г.). «Контроль активности ацетил-кофермента А синтетазы (AcsA) путем ацетилирования / деацетилирования без участия НАД (+) в Bacillus subtilis». Журнал бактериологии. 188 (15): 5460–8. Дои:10.1128 / JB.00215-06. ЧВК  1540023. PMID  16855235.
  14. ^ Такахаши Х., Маккаффри Дж. М., Иризарри Р. А., Боке Дж. Д. (июль 2006 г.). «Нуклеоцитозольная ацетил-кофермент синтетаза необходима для ацетилирования гистонов и глобальной транскрипции». Молекулярная клетка. 23 (2): 207–17. Дои:10.1016 / j.molcel.2006.05.040. PMID  16857587.
  15. ^ 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.
  16. ^ Гласки AJ, Рафельсон ME (август 1959 г.). «Использование ацетата-C14 Escherichia coli, выращенного на ацетате, в качестве единственного источника углерода». Журнал биологической химии. 234 (8): 2118–22. PMID  13673023.
  17. ^ Стин Э.Дж., Кан Й., Бокинский Г., Ху З., Ширмер А., МакКлюр А., Дель Кардайр С.Б., Кислинг Д.Д. (январь 2010 г.). «Микробиологическое производство топлива на основе жирных кислот и химикатов из растительной биомассы». Природа. 463 (7280): 559–62. Дои:10.1038 / природа08721. PMID  20111002.
  18. ^ Бануэлос С., Сервантес Е., Перес Е., Тан С. (март 2017 г.). От токсичных побочных продуктов к биотопливу: адаптация инженерных кишечная палочка для производства этиловых эфиров жирных кислот из ацетата. Курс Стэнфордского университета: CHEMENG 185B (Отчет).