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:
Una vez que se forma el acetil-CoA, se puede utilizar en el ciclo del TCA 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. [2] 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. [3]
La reacción catalizada por la acetil-CoA sintetasa se lleva a cabo en dos pasos. En primer lugar, el AMP debe unirse a la enzima para provocar un cambio conformacional en el sitio activo , lo que permite que se produzca la reacción. El sitio activo se conoce como grupo A. [4] Un residuo de lisina crucial debe estar presente en el sitio activo para catalizar la primera reacción donde se une Co-A. Luego, Co-A 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 la 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 del PDB de RCSB: 1PG3) revela que está compuesto de dos subunidades. Cada subunidad está compuesta principalmente de dos dominios. El dominio N-terminal más grande está compuesto de 517 residuos, mientras que el dominio C-terminal más pequeño está compuesto de 130 residuos. [7] 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). [7]
La fuente de la estructura cristalizada es el organismo Salmonella typhimurium (cepa LT2 / SGSC1412 / ATCC 700720). El gen de ACS se transfectó luego 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. [7] 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:
El papel de la enzima ACS es combinar acetato y coenzima A 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 ciclo del TCA , así como en la producción de ácidos grasos . Esta enzima es vital para la acción de la acetilación de histonas , así como 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 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 carcinomatosos avanzados, los genes para esta enzima se regularon a la baja e indicaron una tasa de supervivencia baja a 5 años . [10] La expresión de la enzima también se ha relacionado con el desarrollo de nódulos tumorales metastásicos, lo que conduce a una tasa de supervivencia baja en pacientes con carcinomas de células renales. [11]
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 enzima llamada 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. [2] La ubicación exacta del residuo de lisina varía entre especies, ocurriendo en Lys-642 en humanos, pero siempre está presente en el sitio activo de la enzima. [12] 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 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 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]
Aunque la actividad de la acetil-CoA sintetasa suele estar asociada a vías metabólicas, la enzima también participa en la expresión génica. En la levadura, la acetil-CoA sintetasa entrega acetil-CoA a las acetiltransferasas de histonas para la acetilación de histonas. Sin una acetilación correcta, el ADN no puede condensarse en cromatina adecuadamente, lo que inevitablemente da lugar a errores de transcripción. [14]
Aprovechando las vías 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 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 altos para el organismo. Al adaptar E. coli para usar acetato como materia prima, estos microbios pudieron sobrevivir y producir sus productos de ingeniería. Estos ácidos grasos podrían luego usarse como biocombustible después de ser separados del medio, requiriendo un procesamiento adicional ( transesterificación ) para producir combustible biodiesel utilizable. El protocolo de adaptación original para inducir altos niveles de absorción de acetato fue innovado en 1959 como un medio para inducir mecanismos de inanición en E. coli . [16]
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 estables (FAEE), lo que elimina la necesidad de un procesamiento adicional antes de obtener un producto combustible utilizable en motores diésel. [17]
Acetil CoA se utiliza 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 alcanzan los niveles requeridos para aplicaciones a gran escala (todavía).
