Syntetaza acetylo-CoA
| identyfikatory | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ligazy CoA | |||||||||
| nr WE | 6.2.1.1 | ||||||||
| nr CAS | 9012-31-1 | ||||||||
| Bazy danych | |||||||||
| IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
| ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
| MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
| PRYM | profil | ||||||||
| Struktury PDB | RCSB PDB PDBe PDB suma | ||||||||
| Ontologia genów | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
Syntetaza acetylo-CoA (ACS) lub ligaza octan-CoA jest enzymem ( EC 6.2.1.1 ) biorącym udział w metabolizmie octanu. Należy do ligazy , co oznacza, że katalizuje tworzenie nowego wiązania chemicznego między dwiema dużymi cząsteczkami.
Reakcja
Dwie połączone ze sobą cząsteczki tworzące acetylo-CoA to octan i koenzym A (CoA). Całkowita reakcja ze wszystkimi zawartymi substratami i produktami to:
- ATP + octan + CoA <=> AMP + pirofosforan + acetylo-CoA
Po utworzeniu acetylo-CoA można go wykorzystać w cyklu TCA w oddychaniu tlenowym do produkcji nośników energii i elektronów. Jest to alternatywna metoda rozpoczynania cyklu, ponieważ bardziej powszechnym sposobem jest wytwarzanie acetylo-CoA z pirogronianu przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej . Działanie enzymu odbywa się w macierzy mitochondrialnej , dzięki czemu produkty znajdują się we właściwym miejscu do wykorzystania w kolejnych etapach metabolicznych. Acetylo-Co-A może być również stosowany w syntezie kwasów tłuszczowych , a wspólną funkcją syntetazy jest wytwarzanie w tym celu acetylo-Co-A.
Reakcja katalizowana przez syntetazę acetylo-CoA przebiega dwuetapowo. Po pierwsze, AMP musi być związany przez enzym, aby spowodować zmianę konformacyjną w miejscu aktywnym , co umożliwia zajście reakcji. Miejsce aktywne jest określane jako klaster A. Kluczowa lizyny musi być obecna w miejscu aktywnym, aby katalizować pierwszą reakcję, w której związany jest Co-A. Następnie Co-A obraca się w miejscu aktywnym do pozycji, w której octan może kowalencyjnie wiązać się z CoA. Wiązanie kowalencyjne powstaje między atomem siarki w Co-A a centralnym atomem węgla octanu.
Forma ACS1 syntetazy acetylo-CoA jest kodowana przez gen facA, który jest aktywowany przez octan i dezaktywowany przez glukozę.
Struktura
Trójwymiarowa struktura asymetrycznego ACS (numer identyfikacyjny RCSB PDB: 1PG3) ujawnia, że składa się on z dwóch podjednostek. Każda podjednostka składa się wtedy głównie z dwóch domen. Większa domena N-końcowa składa się z 517 reszt, podczas gdy mniejsza domena C-końcowa składa się ze 130 reszt. Każda podjednostka ma miejsce aktywne , w którym przechowywane są ligandy. Skrystalizowaną - 5'-propylofosforanu związanego z enzymem. Powodem zastosowania adenozyno-5′-propylofosforanu jest to, że jest on konkurencyjnym inhibitorem ATP , który zapobiega wszelkim zmianom konformacyjnym enzymu. Pierścień adeninowy AMP/ATP jest utrzymywany w hydrofobowej kieszeni utworzonej przez reszty Ile (512) i Trp (413).
Źródłem struktury skrystalizowanej jest organizm Salmonella typhimurium (szczep LT2/SGSC1412/ATCC 700720). Gen dla ACS następnie transfekowano do Escherichia coli BL21(DE3) w celu ekspresji. Podczas chromatografii w procesie izolowania enzymu podjednostki wychodziły pojedynczo i oddzielnie określano całkowitą strukturę. Metodą zastosowaną do określenia struktury była dyfrakcja rentgenowska z rozdzielczością 2,3 angstremów. Wartości i kąty komórek elementarnych podano w poniższej tabeli:
| Długość (Å) | Kąt (°) |
|---|---|
| a= 59,981 | α= 90,00 |
| b= 143,160 | β= 91,57 |
| c= 71,934 | γ= 90,00 |
Funkcjonować
Rolą enzymu ACS jest połączenie octanu i CoA w celu utworzenia acetylo-CoA, jednak jego znaczenie jest znacznie większe. Najbardziej znaną funkcją produktu tej reakcji enzymatycznej jest wykorzystanie Acetylo-CoA w roli cyklu TCA oraz w produkcji kwasów tłuszczowych . Enzym ten jest niezbędny do działania acetylacji histonów , jak również do regulacji genów. Efekt tej acetylacji jest dalekosiężny u ssaków. Wykazano, że regulacja w dół genu acs w hipokampa myszy skutkuje niższymi poziomami acetylacji histonów, ale także upośledza długoterminową pamięć przestrzenną zwierzęcia. Wynik ten wskazuje na związek między metabolizmem komórkowym, regulacją genów i funkcjami poznawczymi. Enzym ten okazał się interesującym biomarkerem obecności guzów w raku jelita grubego. Gdy gen jest obecny, komórki są w stanie pobierać octan jako źródło pożywienia i przekształcać go w acetylo-CoA w warunkach stresowych. W przypadku zaawansowanych nowotworów złośliwych geny tego enzymu były obniżone i wskazywały na niski wskaźnik przeżycia 5-letniego . Ekspresja enzymu została również powiązana z rozwojem przerzutowych węzłów nowotworowych, co prowadzi do niskiego wskaźnika przeżycia u pacjentów z rakiem nerkowokomórkowym.
Rozporządzenie
Aktywność enzymu jest kontrolowana na kilka sposobów. Niezbędna lizyny w miejscu aktywnym odgrywa ważną rolę w regulacji aktywności. Cząsteczka lizyny może być deacetylowana przez inną klasę enzymów zwanych sirtuinami . U ssaków syntetaza cytoplazmatyczno-jądrowa (AceCS1) jest aktywowana przez SIRT1 , podczas gdy syntetaza mitochondrialna (AceCS2) jest aktywowana przez SIRT3 . Działanie to zwiększa aktywność tego enzymu. Dokładna lokalizacja reszty lizyny różni się w zależności od gatunku, występując w Lys-642 u ludzi, ale zawsze jest obecna w miejscu aktywnym enzymu. Ponieważ istnieje zasadnicza allosteryczna , która zachodzi przy wiązaniu cząsteczki AMP, obecność AMP może przyczynić się do regulacji enzymu. Stężenie AMP musi być wystarczająco wysokie, aby mogło związać się w allosterycznym miejscu wiązania i umożliwić innym substratom wejście do miejsca aktywnego. Ponadto jony miedzi dezaktywują syntetazę acetylo-Co-A, zajmując proksymalne miejsce aktywnego miejsca klastra A, co uniemożliwia enzymowi przyjęcie grupy metylowej do udziału w szlaku Wooda-Ljungdahla. Obecność wszystkich reagentów w odpowiednim stężeniu jest również konieczna do prawidłowego funkcjonowania, jak we wszystkich enzymach. Syntetaza acetylo-CoA jest również wytwarzana, gdy jest potrzebna do syntezy kwasów tłuszczowych , ale w normalnych warunkach gen jest nieaktywny i ma pewne czynniki transkrypcyjne, które aktywują transkrypcję, gdy jest to konieczne. Oprócz sirtuin, deacetylaza białkowa (AcuC) może również modyfikować syntetazę acetylo-CoA w reszcie lizyny. Jednak w przeciwieństwie do sirtuin, AcuC nie wymaga NAD+ jako kosubstratu.
Rola w ekspresji genów
Podczas gdy aktywność syntetazy acetylo-CoA jest zwykle związana ze szlakami metabolicznymi, enzym ten bierze również udział w ekspresji genów. W drożdżach syntetaza acetylo-CoA dostarcza acetylo-CoA do acetylotransferaz histonowych w celu acetylacji histonów. Bez prawidłowej acetylacji DNA nie może właściwie skondensować się w chromatynę , co nieuchronnie skutkuje błędami transkrypcji.
Aplikacja na skalę przemysłową
Wykorzystując szlaki wykorzystujące acetylo-CoA jako substrat, można uzyskać produkty inżynieryjne, które mogą stać się produktami konsumenckimi. Dzięki nadekspresji genu acs i zastosowaniu octanu jako surowca można zwiększyć wytwarzanie kwasów tłuszczowych (FA). Stosowanie octanu jako surowca jest rzadkie, ponieważ octan jest normalnym produktem odpadowym E. coli i jest toksyczny w dużych ilościach dla organizmu. Dzięki przystosowaniu E. coli do używania octanu jako surowca, drobnoustroje te były w stanie przetrwać i wytwarzać swoje opracowane produkty. Te kwasy tłuszczowe można następnie wykorzystać jako biopaliwo po oddzieleniu od mediów, co wymaga dalszej obróbki ( transestryfikacji ) w celu uzyskania użytecznego biodiesla. Oryginalny protokół adaptacyjny do wywoływania wysokiego poziomu wychwytu octanu został opracowany w 1959 roku jako sposób na wywołanie mechanizmów głodu w E. coli .
Wewnątrzkomórkowy
Acetylo-CoA z rozkładu cukrów w glikolizie zostały wykorzystane do budowy kwasów tłuszczowych. Jednak różnica polega na tym, że szczep Keasling jest w stanie syntetyzować własny etanol i dalej przetwarzać ( przez transestryfikację ) kwas tłuszczowy w celu wytworzenia stabilnych estrów etylowych kwasów tłuszczowych (FAEE). Usunięcie konieczności dalszego przetwarzania przed uzyskaniem użytecznego produktu paliwowego w silnikach Diesla.
Acetylo-CoA wykorzystywany do produkcji zarówno etanolu, jak i kwasów tłuszczowych
Transestryfikacja
Przeprowadzono wstępne badania, w których połączenie tych dwóch metod doprowadziło do produkcji FAEE, przy użyciu octanu jako jedynego źródła węgla przy użyciu kombinacji metod opisanych powyżej. [ niewiarygodne źródło ] Poziomy produkcji wszystkich wymienionych metod nie osiągają (jeszcze) poziomów wymaganych do zastosowań na dużą skalę.
