Las acil-CoA deshidrogenasas ( ACAD ) son una clase de enzimas que funcionan para catalizar el paso inicial en cada ciclo de β-oxidación de ácidos grasos en las mitocondrias de las células . Su acción da como resultado la introducción de un doble enlace trans entre C2 (α) y C3 (β) del sustrato tioéster de acil-CoA. [1] El dinucleótido de flavina y adenina (FAD) es un cofactor necesario además de la presencia de un glutamato en el sitio activo para que la enzima funcione.
La siguiente reacción es la oxidación del ácido graso por FAD para producir un tioéster de ácido graso α,β-insaturado de la coenzima A :
Las ACAD se pueden clasificar en tres grupos distintos según su especificidad para los sustratos de acil-CoA de ácidos grasos de cadena corta, media o larga. Si bien las diferentes deshidrogenasas se dirigen a ácidos grasos de distinta longitud de cadena, todos los tipos de ACAD son similares desde el punto de vista mecanístico. Las diferencias en la enzima se producen en función de la ubicación del sitio activo a lo largo de la secuencia de aminoácidos . [2]
Las ACAD son una clase importante de enzimas en las células de los mamíferos debido a su papel en el metabolismo de los ácidos grasos presentes en los alimentos ingeridos. La acción de esta enzima representa el primer paso en el metabolismo de los ácidos grasos (el proceso de ruptura de cadenas largas de ácidos grasos en moléculas de acetil-CoA). Las deficiencias de estas enzimas están vinculadas a trastornos genéticos que implican la oxidación de los ácidos grasos (es decir, trastornos metabólicos). [3]
Las enzimas ACAD se han identificado en animales (de los cuales hay 9 clases eucariotas principales), así como en plantas, [4] nematodos, [5] hongos, [6] y bacterias. [7] Cinco de estas nueve clases están involucradas en la β-oxidación de ácidos grasos (SCAD, MCAD, LCAD, VLCAD y VLCAD2), y las otras cuatro están involucradas en el metabolismo de aminoácidos de cadena ramificada (i3VD, i2VD, GD e iBD). La mayoría de las acil-CoA deshidrogenasas son homotetrámeros α 4 y, en dos casos (para sustratos de ácidos grasos de cadena muy larga), son homodímeros α 2 . Se descubrió una clase adicional de acil-CoA deshidrogenasa que cataliza reacciones de α,β-insaturación con tioésteres de esteroides-CoA en ciertos tipos de bacterias. [8] [9] Se demostró que esta clase de ACAD forma heterotetrámeros α 2 β 2 , en lugar del homotetrámero α 4 habitual , una arquitectura de proteína que evolucionó para acomodar un sustrato esteroide-CoA mucho más grande. [10] [11]
Los ACAD están clasificados como EC 1.3.99.3.
La acil-CoA deshidrogenasa de cadena media (MCAD) es la estructura más conocida de todas las ACAD y es la enzima más comúnmente deficiente dentro de la clase que conduce a trastornos metabólicos en animales. [1] Esta proteína es un homotetrámero con cada subunidad que contiene aproximadamente 400 aminoácidos y un equivalente de FAD por monómero. El tetrámero se clasifica como un "dímero de dímeros" con un diámetro total de aproximadamente 90 Å . [2]
La interfaz entre los dos monómeros de un dímero único de un ACAD contiene los sitios de unión del FAD y tiene interacciones de enlace extensas. En cambio, la interfaz entre los dos dímeros tiene menos interacciones. Hay un total de 4 sitios activos dentro del tetrámero, cada uno de los cuales contiene una sola molécula de FAD y un sitio de unión del sustrato de acil-CoA . Esto da un total de cuatro moléculas de FAD y cuatro sitios de unión del sustrato de acil-CoA por enzima.
El FAD se une entre los tres dominios del monómero, donde solo la porción de nucleótidos es accesible. La unión del FAD contribuye significativamente a la estabilidad general de la enzima . El sustrato acil-CoA se une completamente dentro de cada monómero de la enzima. El sitio activo está revestido con los residuos F252, T255, V259, T96, T99, A100, L103, Y375, Y375 y E376. El área de interés dentro del sustrato queda encajada entre Glu 376 y el FAD, alineando las moléculas en una posición ideal para la reacción. [1]
El MCAD puede unirse a una amplia gama de longitudes de cadena en el sustrato acil-CoA , sin embargo, los estudios muestran que su especificidad tiende a apuntar al octanoil-CoA (C8-CoA). [12]
Se descubrió una nueva arquitectura enzimática ACAD en algunas especies de bacterias que utilizan esteroides ( Actinomycetota y Pseudomonadota ), que está involucrada en la utilización de sustratos esteroides ubicuos como el colesterol por organismos patógenos como Mycobacterium tuberculosis . Genéticamente, la estructura está codificada por dos genes separados ( marcos de lectura abiertos ) que forman un complejo heterotetrámico α 2 β 2 obligado . La estructura fue probablemente el resultado de un evento evolutivo que causó la duplicación de genes y la pérdida parcial de la función, ya que la mitad de los residuos de unión del cofactor FAD están en cada gen, y solo forman un sitio de unión completo cuando se expresan juntos como un complejo. Esto probablemente permitió que el sitio de unión del sustrato se abriera considerablemente para acomodar sustratos policíclicos-CoA mucho más grandes, en lugar de ácidos grasos de longitudes de cadena variables.
El mecanismo de la acil-CoA deshidrogenasa se lleva a cabo mediante la eliminación de E2 . Esta eliminación se inicia con un residuo de glutamato , que, si bien es necesario para el mecanismo, no se conserva. [1]
El residuo aparece en una amplia gama de ubicaciones dentro de los diferentes tipos de enzima (es Glu 376 en MCAD). El residuo de glutamato desprotona el hidrógeno pro-R del carbono alfa . La unión de hidrógeno del oxígeno carbonílico del sustrato tanto al 2'-OH de la cadena lateral ribitilo de FAD como al NH de la cadena principal del residuo de glutamato mencionado anteriormente reduce el pKa de este protón , lo que permite que el glutamato lo elimine fácilmente. [1]
A medida que se desprotona el carbono alfa, el hidrógeno pro-R del carbono beta sale como hidruro hacia el FAD en un paso concertado. Se agrega a la cara Re del FAD en la posición N-5 y la enzima mantiene al FAD en su lugar mediante enlaces de hidrógeno con la porción de pirimidina e interacciones hidrófobas con la porción de dimetilbenceno. El sustrato ahora se ha transformado en un tioéster insaturado α,β . [1]
A medida que el FAD capta el hidruro, el oxígeno del carbonilo adyacente al nitrógeno N-1 se carga negativamente. Estos electrones están en resonancia con el nitrógeno N-1, lo que distribuye y estabiliza la carga negativa resultante. La carga también se estabiliza mediante enlaces de hidrógeno entre el oxígeno y el nitrógeno de interés y varios residuos dentro de la enzima. [1]
Las deficiencias de acil-CoA deshidrogenasas resultan en una disminución de la capacidad para oxidar los ácidos grasos, lo que significa una disfunción metabólica. Las deficiencias de acil-CoA deshidrogenasa de cadena media ( MCADD ) son bien conocidas y caracterizadas porque ocurren más comúnmente entre las acil-CoA deshidrogenasas, lo que lleva a trastornos de oxidación de ácidos grasos y al potencial de enfermedades metabólicas potencialmente mortales . Algunos síntomas de la deficiencia de acil-CoA deshidrogenasa de cadena media incluyen intolerancia al ayuno , hipoglucemia y síndrome de muerte súbita del lactante . Estos síntomas se consideran directamente relacionados con la incapacidad para metabolizar las grasas . La intolerancia al ayuno y la hipoglucemia son el resultado de la incapacidad de obtener energía y producir azúcar a partir de las reservas de grasa, que es como se almacena la mayor parte del exceso de energía de los humanos. Además, los ácidos grasos pueden comenzar a acumularse en la sangre , lo que reduce el pH de la sangre y causa acidosis . [1]
La MCAD está relacionada con/tiene una asociación con la muerte súbita del lactante . Aproximadamente el 90% de los casos de MCAD se deben a una única mutación puntual en la que la lisina en la posición 304 (Lys304) se reemplaza por un residuo de glutamato y esto impide que la enzima funcione correctamente. [1] Se informa que, cada año, 1 de cada 20.000 bebés nace con una deficiencia en sus acil-CoA deshidrogenasas de cadena media causada por una mutación. La mutación es recesiva y, a menudo, los padres de los niños que tienen la deficiencia pueden ser diagnosticados posteriormente como portadores. [3]
En los seres humanos, la mutación natural más común en la MCAD se encuentra en el residuo de aminoácido Lys-304. [1] El residuo alterado se produce como resultado de una mutación de un solo punto en la que la cadena lateral de lisina se reemplaza por un glutamato. Lys-304 generalmente interactúa con los residuos de aminoácidos circundantes formando enlaces de hidrógeno con Gln-342, Asp-300 y Asp-346. Cuando una mutación hace que el glutamato ocupe el lugar de la lisina, se introduce una carga negativa adicional en ese sitio, lo que interrumpe el enlace de hidrógeno que se produce normalmente. Tal interrupción altera el patrón de plegamiento de la enzima, comprometiendo en última instancia su estabilidad e inhibiendo su función en la oxidación de ácidos grasos. [12] La eficiencia de la proteína mutada es aproximadamente 10 veces menor que la de la proteína natural. [13] Esto puede conducir a los síntomas de la deficiencia enumerados anteriormente.
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