Acetil-CoA sintetasa (ACS) o acetato: la CoA ligasa es una enzima ( EC 6.2.1.1) involucrada 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:
Una vez que se forma acetil-CoA, se puede utilizar en el ciclo del TCA en la respiración aeróbica para producir energía y portadores de electrones. Este es un método alternativo para iniciar el ciclo, ya que la forma más común es producir acetil-CoA a partir de piruvato a través del complejo piruvato deshidrogenasa . La actividad de la enzima se lleva a cabo en la matriz mitocondrial para que los productos estén en el lugar adecuado para ser utilizados en los siguientes pasos metabólicos. [2] El 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 la acetil-CoA sintetasa se desarrolla en dos pasos. Primero, el AMP debe unirse a la enzima para provocar un cambio conformacional en el sitio activo , lo que permite que se lleve a cabo la reacción. El sitio activo se conoce como grupo A. [4] Debe estar presente un residuo de lisina crucial en el sitio activo para catalizar la primera reacción en la que se une Co-A. Luego, Co-A gira en el sitio activo hacia 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 del acetato. [5]
La forma ACS1 de acetil-CoA sintetasa está codificada por el gen facA, que se activa con acetato y se desactiva con glucosa. [6]
La estructura tridimensional del ACS asimétrico (número de identificación RCSB PDB: 1PG3) revela que está compuesto por dos subunidades. Cada subunidad se compone entonces 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 del ATP que previene cualquier cambio conformacional en la enzima. El anillo de adenina de AMP/ATP se mantiene en una bolsa hidrofóbica creada 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). Luego, el gen del SCA 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 se determinó la estructura total 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 las celdas unitarias se proporcionan en la siguiente tabla:
La función de la enzima ACS es combinar acetato y coenzima A para formar acetil-CoA, aunque 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 para la regulación genética. [9] 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 perjudica 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 de 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 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 lleva a una tasa de supervivencia deficiente en pacientes con carcinomas de células renales. [11]
La actividad de la enzima se controla de varias formas. El residuo esencial de lisina en el sitio activo juega un papel importante en la regulación de la actividad. La molécula de lisina puede ser desacetilada por otra clase de enzima llamada sirtuinas . En los mamíferos, la sintetasa nuclear citoplasmática (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 presenta en Lys-642 en humanos, pero siempre está presente en el sitio activo de la enzima. [12] Dado que existe 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 Co-A 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 de Wood-Ljungdahl. [4] 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. [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]
Si bien la actividad de la acetil-CoA sintetasa suele estar asociada con vías metabólicas, la enzima también participa en la expresión genética. 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 adecuadamente en cromatina , lo que inevitablemente produce errores de transcripción. [14]
Aprovechando las vías que utilizan acetil-CoA como sustrato, se pueden obtener productos de ingeniería que tienen potencial para convertirse en productos de consumo. Al sobreexpresar el gen acs y utilizar 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 utilizar acetato como materia prima, estos microbios pudieron sobrevivir y producir sus productos diseñados. Estos ácidos grasos podrían luego usarse como biocombustible después de separarlos del medio, lo que requeriría un procesamiento adicional ( transesterificación ) para producir combustible biodiesel 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 . [dieciséis]
El acetil-CoA procedente de la descomposición de los 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 para crear ésteres etílicos de ácidos grasos estables (FAEE). Eliminar la necesidad de un procesamiento adicional antes de obtener un producto de combustible utilizable en motores diésel. [17]
Acetil CoA utilizado en la producción de etanol y ácidos grasos.
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. [18] [ fuente no confiable ] Los niveles de producción de todos los métodos mencionados no están a la altura de los niveles requeridos para aplicaciones a gran escala (todavía).
