Ацетил-КоА-синтетаза (ACS) или ацетат-КоА-лигаза - это фермент ( EC 6.2.1.1 ), участвующий в метаболизме ацетата. Именно в лигазы класса ферментов, а это означает , что он катализирует образование новой химической связи между двумя крупными молекулами.
Ацетат-КоА лигаза | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
ЕС нет. | 6.2.1.1 | |||||||
№ CAS | 9012-31-1 | |||||||
Базы данных | ||||||||
IntEnz | Просмотр IntEnz | |||||||
БРЕНДА | BRENDA запись | |||||||
ExPASy | Просмотр NiceZyme | |||||||
КЕГГ | Запись в KEGG | |||||||
MetaCyc | метаболический путь | |||||||
ПРИАМ | профиль | |||||||
Структуры PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
Генная онтология | Amigo / QuickGO | |||||||
|
Реакция
Две соединенные вместе молекулы, которые составляют ацетил-КоА, - это 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 TCA при аэробном дыхании для выработки переносчиков энергии и электронов. Это метод, альтернативный запуску цикла, поскольку более распространенным способом является производство ацетил-КоА из пирувата через комплекс пируватдегидрогеназы . Активность фермента проявляется в матриксе митохондрий, поэтому продукты находятся в нужном месте для использования на следующих этапах метаболизма. [2] Ацетил-Со-А можно также использовать в синтезе жирных кислот , и обычная функция синтетазы - производить для этой цели ацетил-Со-А. [3]
Реакция, катализируемая ацетил-КоА синтетазой, проходит в два этапа. Во-первых, АМФ должен быть связан ферментом, чтобы вызвать конформационное изменение в активном центре , что позволяет реакции происходить. Активный сайт называется A-кластером. [4] Критический остаток лизина должен присутствовать в активном центре, чтобы катализировать первую реакцию, в которой связывается 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]
Состав
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 субъединица имеет активный сайт, в котором удерживаются лиганды. Кристаллизованная структура ACS была определена с КоА и Adenosine- 5'-propylphosphate связанного 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 трансфицировали в Escherichia coli BL21 (DE3) для экспрессии. Во время хроматографии в процессе выделения фермента субъединицы выделялись индивидуально, и общая структура определялась отдельно. [7] Для определения структуры использовалась дифракция рентгеновских лучей с разрешением 2,3 ангстрем. Значения и углы элементарной ячейки приведены в следующей таблице:
Длина (Å) | Угол (°) |
---|---|
а = 59,981 | α = 90,00 |
б = 143,160 | β = 91,57 |
с = 71,934 | γ = 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 цикла TCA, а также в производстве жирных кислот . Этот фермент жизненно важен для действия ацетилирования гистонов, а также для регуляции генов. [9] Эффект, который имеет это ацетилирование, имеет далеко идущие последствия у 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 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 плохую 5-летнюю выживаемость . [10] Экспрессия фермента также связана с развитием метастатических опухолевых узлов, что снижает выживаемость пациентов с почечно-клеточным раком. [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 цитоплазматически-ядерная синтетаза (AceCS1) активируется с помощью SIRT1, а митохондриальная синтетаза (AceCS2) активируется с помощью SIRT3 . Это действие увеличивает активность этого фермента. [2] Точное расположение остатка лизина варьируется в зависимости от вида, встречается в Lys-642 у человека, но всегда присутствует в активном центре фермента. [12] Поскольку при связывании молекулы АМФ происходит существенное аллостерическое изменение, присутствие АМФ может способствовать регуляции этого 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 надлежащей концентрации также необходимо для правильного функционирования, как и для всех ферментов. Ацетил-КоА-синтетаза также вырабатывается, когда она необходима для синтеза жирных кислот , но в нормальных условиях ген неактивен и имеет определенные факторы транскрипции, 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 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 должным образом конденсироваться в хроматин , что неизбежно приводит к ошибкам транскрипции. [14]
Промышленное применение
Используя преимущества путей, в которых в качестве субстрата используется ацетил-КоА, 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 корма встречается редко, поскольку ацетат является нормальным продуктом метаболизма кишечной палочки и токсичен для организма в больших количествах. Приспособив кишечную палочку к использованию ацетата в качестве сырья, эти микробы смогли выжить и производить свои искусственно созданные продукты. Эти жирные кислоты затем могут быть использованы в качестве биотоплива после отделения от среды, что потребует дальнейшей обработки ( переэтерификации ) для получения пригодного для использования биодизельного топлива. Первоначальный протокол адаптации для индуцирования высоких уровней поглощения ацетата был изобретен в 1959 году как средство для активации механизмов голодания у E. coli . [16]
Внутриклеточный
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 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]
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
- ^ КЕГГ
- ^ а б Швер Б., Бункенборг Дж., Вердин Р. О., Андерсен Дж. С., Вердин Е. (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 .
- ^ 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-CoA синтетазы 1 мыши через несколько кластерных сайтов связывания для белков, связывающих регуляторный элемент стерола, и единственного соседнего сайта для Sp1» . Журнал биологической химии . 276 (36): 34259–69. DOI : 10.1074 / jbc.M103848200 . PMID 11435428 .
- ^ 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. DOI : 10.1021 / ja0352855 . PMID 12889960 .
- ^ 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. DOI : 10.1021 / bi035911a . PMID 14769018 .
- ^ 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. DOI : 10.1016 / j.resmic.2005.03.003 . PMID 15921892 .
- ^ а б в 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. DOI : 10.1021 / bi0271603 . PMID 12627952 .
- ^ Система молекулярной графики PyMOL, версия 2.0 Schrödinger, LLC.
- ^ 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. DOI : 10.1038 / nature22405 . PMC 5505514 . PMID 28562591 .
- ^ 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. DOI : 10.1038 / modpathol.2016.172 . PMID 27713423 .
- ^ 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. DOI : 10.1016 / j.urolonc.2018.01.013 . PMID 29503142 .
- ^ 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 .
- ^ Gardner JG, Grundy FJ, Henkin TM, Escalante-Semerena JC (август 2006 г.). «Контроль активности ацетил-кофермента 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 .
- ^ Такахаши Х., Маккаффери Дж. М., Иризарри Р. А., Бёке Дж. Д. (июль 2006 г.). «Нуклеоцитозольная ацетил-кофермент синтетаза необходима для ацетилирования гистонов и глобальной транскрипции». Молекулярная клетка . 23 (2): 207–17. DOI : 10.1016 / j.molcel.2006.05.040 . PMID 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. DOI : 10.1016 / j.bej.2013.04.013 .
- ^ Гласки AJ, Рафельсон ME (август 1959 г.). «Использование ацетата-C14 кишечной палочкой, выращенной на ацетате в качестве единственного источника углерода» . Журнал биологической химии . 234 (8): 2118–22. PMID 13673023 .
- ^ 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. DOI : 10,1038 / природа08721 . PMID 20111002 .
- ^ 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).