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 adenina (FAD) es un cofactor necesario además de la presencia de un sitio activo glutamato 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 coenzima A :
Los ACAD se pueden clasificar en tres grupos distintos según su especificidad por sustratos de acil-CoA de ácidos grasos de cadena corta, media o larga . Si bien las diferentes deshidrogenasas se dirigen a ácidos grasos de diferente longitud de cadena, todos los tipos de ACAD son mecánicamente similares. Las diferencias en la enzima ocurren según la ubicación del sitio activo a lo largo de la secuencia de aminoácidos . [2]
Las ACAD son una clase importante de enzimas en células de mamíferos debido a su papel en la metabolización 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 romper largas cadenas de ácidos grasos en moléculas de acetil CoA). Las deficiencias de estas enzimas están relacionadas con trastornos genéticos relacionados con la oxidación de ácidos grasos (es decir, trastornos metabólicos). [3]
Las enzimas ACAD se han identificado en animales (de los cuales hay 9 clases principales de eucariotas), 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 insaturación α,β 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 proteica que evolucionó para acomodar un sustrato de 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 los animales. [1] Esta proteína es un homotetrámero y cada subunidad 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 solo dímero de un ACAD contiene los sitios de unión de FAD y tiene extensas interacciones de unión. Por el contrario, 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 única molécula de FAD y un sitio de unión al sustrato acil-CoA . Esto da un total de cuatro moléculas de FAD y cuatro sitios de unión al sustrato de acil-CoA por enzima.
FAD está unido entre los tres dominios del monómero, donde solo es accesible la porción de nucleótidos. La unión de FAD contribuye significativamente a la estabilidad general de la enzima . El sustrato acil-CoA está completamente unido 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 atrapada entre Glu 376 y FAD, alineando las moléculas en una posición ideal para la reacción. [1]
MCAD puede unirse a una gama bastante amplia de longitudes de cadena en el sustrato de acil-CoA ; sin embargo, los estudios muestran que su especificidad tiende a apuntar al octanoil-CoA (C8-CoA). [12]
Se descubrió una nueva arquitectura de enzima ACAD en algunas especies de bacterias que utilizan esteroides ( Actinomycetota y Pseudomonadota ), y 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 . Lo más probable es que la estructura fuera el resultado de un evento evolutivo que causó la duplicación de genes y la pérdida parcial de 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 de CoA policíclico mucho más grandes, en lugar de ácidos grasos de diferentes longitudes de cadena.
El mecanismo de la acil-CoA deshidrogenasa se produce mediante una eliminación de E2. Esta eliminación es iniciada por 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 . El enlace de hidrógeno del oxígeno carbonílico del sustrato tanto al 2'-OH de la cadena lateral del ribitilo de FAD como a la cadena principal NH 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 a FAD en un paso concertado. Se agrega a la cara Re de FAD en la posición N-5, y la enzima mantiene 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 α,β insaturado . [1]
A medida que FAD recoge el hidruro, el oxígeno del carbonilo adyacente al nitrógeno N-1 queda cargado negativamente. Estos electrones están en resonancia con el nitrógeno N-1 , distribuyendo y estabilizando 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 en acil-CoA deshidrogenasas dan como resultado una menor capacidad para oxidar ácidos grasos , lo que significa disfunción metabólica. Las deficiencias de acil-CoA deshidrogenasa de cadena media ( MCADD ) son bien conocidas y se caracterizan porque ocurren con mayor frecuencia entre las acil-CoA deshidrogenasas, lo que conduce 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 de 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 la forma en que se almacena la mayor parte del exceso de energía de los seres humanos. Además, los ácidos grasos pueden comenzar a acumularse en la sangre , bajando el pH de la sangre y provocando acidosis . [1]
MCAD está relacionado o tiene una asociación con la muerte súbita del lactante . Aproximadamente el 90% de los casos de MCAD se deben a una mutación puntual única 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 niños que tienen la deficiencia pueden ser diagnosticados posteriormente como portadores. [3]
En los seres humanos , la mutación natural más común en MCAD se localiza en el residuo del 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 normalmente 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 reemplace a la lisina , se introduce una carga negativa adicional en ese sitio, lo que interrumpe el enlace H que ocurre normalmente. Tal alteración 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 provocar los síntomas de la deficiencia mencionada anteriormente.
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