Acetil-CoA sintetasa

Ligasa acetato-CoA
Identificadores
CE no.	6.2.1.1
No CAS.	9012-31-1
Bases de datos
IntEnz	Vista IntEnz
BRENDA	Entrada BRENDA
FÁCIL	NiceZyme vista
KEGG	Entrada KEGG
MetaCyc	camino metabólico
PRIAM	perfil
Estructuras PDB	RCSB PDB PDBe PDBsum
Ontología de genes	AmiGO / QuickGO
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La acetil-CoA sintetasa (ACS) o acetato-CoA ligasa es una enzima ( EC 6.2.1.1 ) involucrada en el metabolismo del acetato. Es en la ligasa clase de enzimas, lo que significa que cataliza la formación de un nuevo enlace químico entre dos moléculas grandes.

Reacción

Las dos moléculas unidas que forman Acetil CoA son acetato y coenzima A (CoA). La reacción completa con todos los sustratos y productos incluidos es:

ATP + Acetato + CoA <=> AMP + Pirofosfato + Acetil-CoA ^[1]

Una vez que se forma acetil-CoA, se puede utilizar en el ciclo de TCA en la respiración aeróbica para producir energía y portadores de electrones. Este es un método alternativo al inicio del ciclo, ya que la forma más común es producir acetil-CoA a partir de piruvato a través del complejo de piruvato deshidrogenasa . La actividad de la enzima tiene lugar en la matriz mitocondrial para que los productos estén en el lugar adecuado para ser utilizados en los siguientes pasos metabólicos. ^[2] Acetil Co-A también se puede utilizar en la síntesis de ácidos grasos , y una función común de la sintetasa es producir acetil Co-A para este propósito. ^[3]

La reacción catalizada por acetil-CoA sintetasa tiene lugar en dos pasos. Primero, el AMP debe estar unido por la enzima para provocar un cambio conformacional en el sitio activo , lo que permite que tenga lugar la reacción. El sitio activo se conoce como A-cluster. ^[4] Un residuo de lisina crucial debe estar presente en el sitio activo para catalizar la primera reacción donde se une Co-A. Co-A luego rota en el sitio activo a la posición donde el acetato puede unirse covalentemente a CoA. El enlace covalente se forma entre el átomo de azufre en Co-A y el átomo de carbono central de acetato. ^[5]

La forma ACS1 de acetil-CoA sintetasa está codificada por el gen facA, que es activado por acetato y desactivado por glucosa. ^[6]

Estructura

La estructura tridimensional del ACS asimétrico (RCSB PDB ID number: 1PG3) revela que está compuesto por dos subunidades. Entonces, cada subunidad se compone principalmente de dos dominios. El dominio N-terminal más grande está compuesto por 517 residuos, mientras que el dominio C-terminal más pequeño está compuesto por 130 residuos. ^[7] Cada subunidad tiene un sitio activo donde se mantienen los ligandos. La estructura cristalizada de ACS se determinó con CoA y adenosina-5'-propilfosfato unidos a la enzima. La razón para usar adenosina-5′-propilfosfato es que es un inhibidor competitivo de ATP que previene cualquier cambio conformacional de la enzima. El anillo de adenina de AMP / ATP se mantiene en un bolsillo hidrofóbico creado por los residuos Ile (512) y Trp (413).^[7]

La fuente de la estructura cristalizada es el organismo Salmonella typhimurium (cepa LT2 / SGSC1412 / ATCC 700720). A continuación, se transfectó el gen de ACS en Escherichia coli BL21 (DE3) para su expresión. Durante la cromatografía en el proceso para aislar la enzima, las subunidades salieron individualmente y la estructura total se determinó por separado. ^[7] El método utilizado para determinar la estructura fue la difracción de rayos X con una resolución de 2,3 angstroms. Los valores y ángulos de la celda unitaria se proporcionan en la siguiente tabla:

Estructura 3D de ACS (1PG3) usando el software PyMol. ^[8]

Vista axial de ACS (1PG3) que muestra ligandos unidos al sitio activo. Los ligandos utilizados para la cristalización (en la imagen) son adenosina-5'-propilfosfato, CoA y etanodiol.

Celda unitaria

Longitud (Å)	Ángulo (°)
a = 59,981	α = 90,00
b = 143.160	β = 91,57
c = 71,934	γ = 90,00

Función

El papel de la enzima ACS es combinar acetato y CoA para formar acetil CoA, sin embargo, su importancia es mucho mayor. La función más conocida del producto de esta reacción enzimática es el uso de Acetil-CoA en el papel del ciclo del TCA así como en la producción de ácidos grasos . Esta enzima es vital para la acción de la acetilación de histonas y la regulación de genes. ^[9] El efecto que tiene esta acetilación es de gran alcance en los mamíferos. Se ha demostrado que la regulación a la baja del gen acs en el hipocampoLa región de los ratones da como resultado niveles más bajos de acetilación de histonas, pero también afecta la memoria espacial a largo plazo del animal. Este resultado apunta a un vínculo entre el metabolismo celular, la regulación genética y la función cognitiva. ^[9] Esta enzima ha demostrado ser un biomarcador interesante para la presencia de tumores en carcinomas colorrectales. Cuando el gen está presente, las células pueden tomar acetato como fuente de alimento para convertirlo en acetil-CoA durante condiciones de estrés. En los casos de tumores de carcinoma avanzado, los genes de esta enzima estaban regulados negativamente e indicaban una tasa de supervivencia pobre a 5 años . ^{[10] La} expresión de la enzima también se ha relacionado con el desarrollo de ganglios tumorales metastásicos, lo que conduce a una tasa de supervivencia baja en pacientes con carcinomas de células renales.^[11]

Regulación

La actividad de la enzima se controla de varias formas. El residuo de lisina esencial en el sitio activo juega un papel importante en la regulación de la actividad. La molécula de lisina puede desacetilarse mediante otra clase de enzimas llamadas sirtuinas . En los mamíferos, la sintetasa citoplasmático-nuclear (AceCS1) es activada por SIRT1 mientras que la sintetasa mitocondrial (AceCS2) es activada por SIRT3 . Esta acción aumenta la actividad de esta enzima. ^[2] La ubicación exacta del residuo de lisina varía entre especies, y se encuentra en Lys-642 en humanos, pero siempre está presente en el sitio activo de la enzima. ^[12] Dado que hay un alostérico esencialcambio que ocurre con la unión de una molécula de AMP, la presencia de AMP puede contribuir a la regulación de la enzima. La concentración de AMP debe ser lo suficientemente alta para que pueda unirse en el sitio de unión alostérico y permitir que los otros sustratos entren en el sitio activo. Además, los iones de cobre desactivan la acetil Co-A sintetasa al ocupar el sitio proximal del sitio activo del grupo A, lo que evita que la enzima acepte un grupo metilo para participar en la vía Wood-Ljungdahl. ^[4] La presencia de todos los reactivos en la concentración adecuada también es necesaria para el funcionamiento adecuado como en todas las enzimas. La acetil-CoA sintetasa también se produce cuando es necesaria para la síntesis de ácidos grasos., pero, en condiciones normales, el gen está inactivo y tiene ciertos factores de transcripción que activan la transcripción cuando es necesario. ^[3] Además de las sirtuinas, la proteína desacetilasa (AcuC) también puede modificar la acetil-CoA sintetasa en un residuo de lisina. Sin embargo, a diferencia de las sirtuinas, AcuC no requiere NAD + como cosustrato. ^[13]

Papel en la expresión genética

Si bien la actividad de la acetil-CoA sintetasa generalmente se asocia con vías metabólicas, la enzima también participa en la expresión génica. En la levadura, la acetil-CoA sintetasa entrega acetil-CoA a las histonas acetiltransferasas para la acetilación de histonas. Sin una acetilación correcta, el ADN no puede condensarse en cromatina correctamente, lo que inevitablemente da como resultado errores de transcripción. ^[14]

Aplicación industrial

FAEE (C12) producido utilizando la vía biosintética de Keasling en E. coli modificada (A2A). Son posibles diferentes tipos dependiendo del número de unidades de acetil-CoA incorporadas (resultan en cadenas de números pares).

Molécula de ácido graso representativa (ácido palmítico, C16)

Aprovechando las rutas que utilizan acetil-CoA como sustrato, se pueden obtener productos de ingeniería que tienen potencial para ser productos de consumo. Al sobreexpresar el gen acs y al usar acetato como materia prima, se puede aumentar la producción de ácidos grasos (AG). ^[15] El uso de acetato como materia prima es poco común, ya que el acetato es un producto de desecho normal del metabolismo de E. coli y es tóxico en niveles elevados para el organismo. Al adaptar la E. coli para usar acetato como materia prima, estos microbios pudieron sobrevivir y producir sus productos de ingeniería. Estos ácidos grasos podrían usarse como biocombustible después de ser separados del medio, requiriendo un procesamiento adicional ( transesterificación) para producir biodiésel utilizable. El protocolo de adaptación original para inducir altos niveles de absorción de acetato se innovó en 1959 como un medio para inducir los mecanismos de inanición en E. coli . ^[dieciséis]

Transesterificación del mecanismo de ácido graso a éster

Intracelular

${\displaystyle Acetate\Longrightarrow Acetyl-CoA}$

${\displaystyle Acetyl-CoA\Longrightarrow FAs}$

La acetil-CoA de la descomposición de azúcares en la glucólisis se ha utilizado para formar ácidos grasos. Sin embargo, la diferencia radica en el hecho de que la cepa Keasling es capaz de sintetizar su propio etanol y procesar ( mediante transesterificación ) el ácido graso aún más para crear ésteres etílicos de ácidos grasos estables (FAEE). Eliminando la necesidad de procesamiento adicional antes de obtener un producto combustible utilizable en motores diesel. ^[17]

${\displaystyle glucose\Longrightarrow Acetyl-CoA}$

Cambios en la regulación de E. coli para la producción de FAEE a partir de acetato.

Acetil CoA utilizado en la producción de etanol y ácidos grasos.

${\displaystyle Acetyl-CoA\Longrightarrow fattyacid+ethanol}$

Transesterificación

${\displaystyle fattyacid+ethanol\Longrightarrow FAEE}$

Se han realizado estudios preliminares en los que la combinación de estos dos métodos ha dado como resultado la producción de FAEE, utilizando acetato como única fuente de carbono utilizando una combinación de los métodos descritos anteriormente. ^{[18] [ fuente no confiable ]} Los niveles de producción de todos los métodos mencionados no están a los niveles requeridos para aplicaciones a gran escala (todavía).

Referencias

1. KEGG
2. Schwer B, Bunkenborg J, Verdin RO, Andersen JS, Verdin E (julio de 2006). "La acetilación de lisina reversible controla la actividad de la enzima mitocondrial acetil-CoA sintetasa 2" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 103 (27): 10224-10229. doi : 10.1073 / pnas.0603968103 . PMC  1502439 . PMID  16788062 .
3. Ikeda Y, Yamamoto J, Okamura M, Fujino T, Takahashi S, Takeuchi K, Osborne TF, Yamamoto TT, Ito S, Sakai J (septiembre de 2001). "Regulación transcripcional del gen de la acetil-CoA sintetasa 1 murina a través de múltiples sitios de unión agrupados para proteínas de unión de elementos reguladores de esterol y un solo sitio vecino para Sp1" . La revista de química biológica . 276 (36): 34259–69. doi : 10.1074 / jbc.M103848200 . PMID 11435428 . 
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