Acetil-CoA sintetasa

La acetil-CoA sintetasa (ACS) o acetato-CoA ligasa es una enzima (EC 6.2.1.1) que participa en el metabolismo del acetato. Pertenece a la clase de enzimas ligasas, lo que significa que cataliza la formación de un nuevo enlace químico entre dos moléculas grandes.

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

ATP + Acetato + CoA → AMP + Pirofosfato + Acetyl-CoA

Una vez que se forma el acetil-CoA, se puede utilizar en el ciclo del ácido tricarboxílico (ATC) en la respiración aeróbica para producir energía y transportadores de electrones. Este es un método alternativo para iniciar el ciclo, ya que la forma más común es producir acetil-CoA a partir del piruvato a través del complejo 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. El acetil-CoA también se puede utilizar en la síntesis de ácidos grasos, y una función común de la sintetasa es producir acetil-CoA para este propósito.

La reacción catalizada por la acetil-CoA sintetasa se lleva a cabo en dos pasos. En primer lugar, la enzima debe unir el AMP para provocar un cambio conformacional en el sitio activo, lo que permite que se produzca la reacción. El sitio activo se denomina grupo A. En el sitio activo debe estar presente un residuo de lisina crucial para catalizar la primera reacción en la que se une la Co-A. A continuación, la Co-A rota en el sitio activo hasta la posición en la que el acetato puede unirse covalentemente a la CoA. El enlace covalente se forma entre el átomo de azufre de la Co-A y el átomo de carbono central del acetato.

La forma ACS1 de la acetil-CoA sintetasa está codificada por el gen facA, que se activa con acetato y se desactiva con glucosa.

La estructura tridimensional del ACS asimétrico (número de identificación del PDB de RCSB: 1PG3) revela que está compuesto por dos subunidades. Cada subunidad está compuesta principalmente por 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. Cada subunidad tiene un sitio activo donde se encuentran los ligandos. La estructura cristalizada del ACS se determinó con CoA y adenosina-5′-propilfosfato unidos a la enzima. La razón para utilizar adenosina-5′-propilfosfato es que es un inhibidor competitivo de ATP que evita cualquier cambio conformacional en la enzima. El anillo de adenina de AMP/ATP se encuentra en un bolsillo hidrofóbico creado por los residuos Ile (512) y Trp (413).

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

La función de la enzima ACS es combinar acetato y coenzima A para formar acetil-CoA, pero su importancia es mucho mayor. La función más conocida del producto de esta reacción enzimática es el uso de acetil-CoA en el ciclo del TCA, así como en la producción de ácidos grasos. Esta enzima es vital para la acción de acetilación de histonas, así como para la regulación genética. El efecto que tiene esta acetilación es de gran alcance en los mamíferos. Se ha demostrado que la regulación negativa del gen acs en la región del hipocampo de ratones da como resultado niveles más bajos de acetilación de histonas, pero también afecta a 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. Esta enzima ha demostrado ser un biomarcador interesante para la presencia de tumores en carcinomas colorrectales. Cuando el gen está presente, las células pueden absorber 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 se redujeron y esto indicó una baja tasa de supervivencia a los 5 años. La expresión de la enzima también se ha relacionado con el desarrollo de nódulos tumorales metastásicos, lo que conduce a una baja tasa de supervivencia en pacientes con carcinomas de células renales.

La actividad de la enzima se controla de varias maneras. El residuo esencial de lisina en el sitio activo desempeña un papel importante en la regulación de la actividad. La molécula de lisina puede ser desacetilada por otra clase de enzimas llamadas sirtuinas. En los mamíferos, la sintetasa citoplasmática-nuclear (AceCS1) es activada por SIRT1 mientras que la sintetasa mitocondrial (AceCS2) es activada por SIRT3. Esta acción aumenta la actividad de esta enzima. La ubicación exacta del residuo de lisina varía entre especies, y se encuentra en Lys-642 en los humanos, pero siempre está presente en el sitio activo de la enzima. Dado que hay un cambio alostérico esencial 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 ingresen al sitio activo. Además, los iones de cobre desactivan la acetil-CoA sintetasa al ocupar el sitio proximal del sitio activo del grupo A, lo que impide que la enzima acepte un grupo metilo para participar en la vía Wood-Ljungdahl. La presencia de todos los reactivos en la concentración adecuada también es necesaria para el correcto funcionamiento, 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 transcripcionales que activan la transcripción cuando es necesario. 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.

Mientras que la actividad de la sintetasa de acetil-CoA suele estar asociada a vías metabólicas, la enzima también participa en la expresión génica. En levadura, acetyl-CoA synthetase entrega acetyl-CoA a acetyltransferases de piedra para la acetilación de piedra. Sin acetilación correcta, el ADN no puede condensarse en la cromatina adecuadamente, lo que inevitablemente resulta en errores transcripcionales.

Si se aprovechan las vías que utilizan el acetil-CoA como sustrato, se pueden obtener productos modificados genéticamente que tienen potencial para convertirse en productos de consumo. Si se sobreexpresa el gen acs y se utiliza acetato como materia prima, se puede aumentar la producción de ácidos grasos (AG). 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 E. coli para que utilice acetato como materia prima, estos microbios pudieron sobrevivir y producir sus productos modificados genéticamente. Estos ácidos grasos se podrían utilizar como biocombustible después de separarlos del medio, lo que requiere un procesamiento adicional (transesterificación) para producir combustible biodiésel utilizable. El protocolo de adaptación original para inducir altos niveles de absorción de acetato se innovó en 1959 como un medio para inducir mecanismos de inanición en E. coli.

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

${\displaystyle Acetyl-CoA\Longrightarrow ¡Ay!$

El acetil-CoA obtenido a partir de la descomposición de azúcares en la glucólisis se ha utilizado para generar ácidos grasos. Sin embargo, la diferencia radica en el hecho de que la cepa Keasling es capaz de sintetizar su propio etanol y procesar (por transesterificación) el ácido graso para crear ésteres etílicos de ácidos grasos (FAEE) estables, lo que elimina la necesidad de un procesamiento posterior antes de obtener un producto combustible utilizable en motores diésel.

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

El acetil CoA se utiliza en la producción de etanol y ácidos grasos

${\displaystyle Acetyl-CoA\Longrightarrow fatty\;acid+ethanol}$

${\displaystyle fatty\;acid+ethanol\Longrightarrow ¡Ay!$

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 mediante una combinación de los métodos descritos anteriormente. Los niveles de producción de todos los métodos mencionados no alcanzan los niveles requeridos para aplicaciones a gran escala (aún).