Acetyl-CoA-Synthetase

Die Acetyl-CoA-Synthetase (ACS), auch bekannt als Acetat-CoA-Ligase oder Acetyl-aktivierendes Enzym, ist ein Enzym ( EC 6.2.1.1 ) aus der Klasse der Ligasen , das die Bildung neuer chemischer Bindungen zwischen zwei Molekülen katalysiert. Daher ist sie an einer Vielzahl biochemischer Stoffwechselwege in prokaryotischen und eukaryotischen Organismen beteiligt, wobei letztere sie als einzigen Weg zur Acetat- Aktivierung nutzen . ^{[ 1 ]}

Die beiden Moleküle, aus denen Acetyl-CoA besteht, sind Acetat und Coenzym A (CoA). Die vollständige Reaktion mit allen Substraten und Produkten lautet:

ATP + Acetat + CoA → AMP + Pyrophosphat + Acetyl-CoA ^{[ 2 ]}

Sobald Acetyl-CoA gebildet ist, kann es im Citratzyklus der aeroben Atmung zur Energiegewinnung und zur Bildung von Elektronenträgern genutzt werden. Dies ist eine alternative Methode zum Start des Zyklus, da Acetyl-CoA üblicherweise aus Pyruvat mithilfe des Pyruvatdehydrogenase-Komplexes gebildet wird . Die Enzymaktivität findet in der mitochondrialen Matrix statt , sodass die Produkte für die nachfolgenden Stoffwechselschritte am richtigen Ort vorliegen. ^{[ 3 ]} Acetyl-CoA kann auch in der Fettsäuresynthese verwendet werden , und eine häufige Funktion der Synthetase ist die Produktion von Acetyl-CoA für diesen Zweck. ^{[ 4 ]}

Die von der Acetyl-CoA-Synthetase katalysierte Reaktion verläuft in zwei Schritten. Zunächst muss AMP an das Enzym binden, um eine Konformationsänderung im aktiven Zentrum zu bewirken , die die Reaktion ermöglicht. Dieses aktive Zentrum wird als A-Cluster bezeichnet. ^{[ 5 ]} Für die Katalyse der ersten Reaktion, bei der CoA gebunden wird, ist ein Lysinrest im aktiven Zentrum unerlässlich. Anschließend rotiert CoA im aktiven Zentrum in eine Position, in der Acetat kovalent an CoA binden kann. Die kovalente Bindung wird zwischen dem Schwefelatom im CoA und dem zentralen Kohlenstoffatom des Acetats gebildet. ^{[ 6 ]}

Die ACS1-Form der Acetyl-CoA-Synthetase wird durch das Gen facA kodiert, welches durch Acetat aktiviert und durch Glucose deaktiviert wird. ^{[ 7 ]}

Die dreidimensionale Struktur der asymmetrischen ACS (RCSB PDB ID: 1PG3) zeigt, dass sie aus zwei Untereinheiten besteht. Jede Untereinheit setzt sich wiederum primär aus zwei Domänen zusammen. Die größere N-terminale Domäne besteht aus 517 Aminosäureresten, die kleinere C-terminale Domäne aus 130 Resten. ^{[ 8 ]} Jede Untereinheit besitzt ein aktives Zentrum , in dem die Liganden gebunden werden. Die Kristallstruktur der ACS wurde in Gegenwart von gebundenem CoA und Adenosin-5′-propylphosphat bestimmt. Adenosin-5′-propylphosphat wurde verwendet, da es als kompetitiver ATP-Inhibitor Konformationsänderungen des Enzyms verhindert. Der Adeninring von AMP/ATP wird in einer hydrophoben Tasche gehalten, die von den Aminosäureresten Ile (512) und Trp (413) gebildet wird. ^{[ 8 ]}

Die Quelle für die kristallisierte Struktur ist der Organismus Salmonella typhimurium (Stamm LT2 / SGSC1412 / ATCC 700720). Das Gen für ACS wurde anschließend zur Expression in Escherichia coli BL21(DE3) transfiziert. Bei der chromatographischen Isolierung des Enzyms wurden die Untereinheiten einzeln isoliert und die Gesamtstruktur separat bestimmt. ^{[ 8 ]} Die Strukturbestimmung erfolgte mittels Röntgenbeugung mit einer Auflösung von 2,3 Å. Die Werte und Winkel der Elementarzelle sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Die Rolle des ACS-Enzyms besteht darin, Acetat und Coenzym A zu Acetyl-CoA zu verbinden, seine Bedeutung ist jedoch weitaus größer. Die bekannteste Funktion des Produkts dieser enzymatischen Reaktion ist die Verwendung von Acetyl-CoA im Citratzyklus sowie bei der Fettsäuresynthese . Dieses Enzym ist essenziell für die Histonacetylierung und die Genregulation. ^{[ 10 ]} Die Auswirkungen dieser Acetylierung sind bei Säugetieren weitreichend. Es wurde gezeigt, dass die Herunterregulierung des acs-Gens im Hippocampus von Mäusen zu einer geringeren Histonacetylierung führt, aber auch das räumliche Langzeitgedächtnis der Tiere beeinträchtigt. Dieses Ergebnis deutet auf einen Zusammenhang zwischen Zellstoffwechsel, Genregulation und kognitiver Funktion hin. ^{[ 10 ]} Dieses Enzym hat sich als interessanter Biomarker für das Vorhandensein von Tumoren bei kolorektalen Karzinomen erwiesen. Ist das Gen vorhanden, können die Zellen Acetat als Nahrungsquelle aufnehmen und es unter Stressbedingungen in Acetyl-CoA umwandeln. Bei fortgeschrittenen Karzinomtumoren war die Expression der Gene für dieses Enzym herunterreguliert, was mit einer schlechten 5-Jahres-Überlebensrate einherging . ^{[ 11 ]} Die Expression des Enzyms wurde auch mit der Entwicklung von Metastasen in Tumorknoten in Verbindung gebracht, was zu einer schlechten Überlebensrate bei Patienten mit Nierenzellkarzinomen führte. ^{[ 12 ]}

Die Aktivität des Enzyms wird auf verschiedene Weise reguliert. Der essentielle Lysinrest im aktiven Zentrum spielt eine wichtige Rolle bei der Aktivitätsregulation. Das Lysinmolekül kann durch eine andere Enzymklasse, die Sirtuine, deacetyliert werden. Bei Säugetieren wird die cytoplasmatisch-nukleäre Synthetase (AceCS1) durch SIRT1 aktiviert, während die mitochondriale Synthetase (AceCS2) durch SIRT3 aktiviert wird . Diese Deacetylierung erhöht die Aktivität des Enzyms. ^{[ 3 ]} Die genaue Position des Lysinrests variiert zwischen den Spezies; beim Menschen befindet er sich an Lys-642, ist aber stets im aktiven Zentrum des Enzyms vorhanden. ^{[ 13 ]} Da die Bindung eines AMP-Moleküls eine essentielle allosterische Veränderung bewirkt, kann AMP zur Regulation des Enzyms beitragen. Die AMP-Konzentration muss hoch genug sein, damit AMP an die allosterische Bindungsstelle binden und anderen Substraten den Eintritt in das aktive Zentrum ermöglichen kann. Kupferionen deaktivieren die Acetyl-CoA-Synthetase, indem sie die proximale Bindungsstelle des A-Clusters besetzen. Dadurch kann das Enzym keine Methylgruppe aufnehmen und am Wood-Ljungdahl-Weg teilnehmen. ^{[ 5 ]} Wie bei allen Enzymen ist auch hier die korrekte Konzentration aller Reaktanten für die ordnungsgemäße Funktion erforderlich. Acetyl-CoA-Synthetase wird auch dann produziert, wenn sie für die Fettsäuresynthese benötigt wird . Unter normalen Bedingungen ist das Gen jedoch inaktiv und verfügt über bestimmte Transkriptionsfaktoren, die die Transkription bei Bedarf aktivieren. ^{[ 4 ]} Neben Sirtuinen kann auch die Proteindeacetylase (AcuC) die Acetyl-CoA-Synthetase an einem Lysinrest modifizieren. Im Gegensatz zu Sirtuinen benötigt AcuC jedoch kein NAD+ als Cosubstrat. ^{[ 14 ]}

Während die Aktivität der Acetyl-CoA-Synthetase üblicherweise mit Stoffwechselwegen in Verbindung gebracht wird, ist das Enzym auch an der Genexpression beteiligt. In Hefe liefert die Acetyl-CoA-Synthetase Acetyl-CoA an Histon-Acetyltransferasen zur Histonacetylierung. Ohne korrekte Acetylierung kann die DNA nicht ordnungsgemäß zu Chromatin kondensieren , was unweigerlich zu Transkriptionsfehlern führt. ^{[ 15 ]}

Durch die Nutzung von Stoffwechselwegen, die Acetyl-CoA als Substrat verwenden, lassen sich gentechnisch veränderte Produkte gewinnen, die potenziell als Konsumgüter eingesetzt werden können. Durch Überexpression des acs-Gens und Verwendung von Acetat als Ausgangsmaterial kann die Produktion von Fettsäuren (FS) gesteigert werden. ^{[ 16 ]} Die Verwendung von Acetat als Ausgangsmaterial ist unüblich, da Acetat ein normales Stoffwechselprodukt von E. coli ist und in hohen Konzentrationen toxisch für den Organismus wirkt. Durch die Anpassung von E. coli an die Nutzung von Acetat als Ausgangsmaterial konnten diese Mikroorganismen überleben und die gewünschten Produkte herstellen. Diese Fettsäuren könnten nach Abtrennung vom Nährmedium als Biokraftstoff verwendet werden, wobei eine weitere Verarbeitung ( Umesterung ) erforderlich ist, um nutzbaren Biodieselkraftstoff zu gewinnen. Das ursprüngliche Anpassungsprotokoll zur Induktion einer hohen Acetataufnahme wurde 1959 entwickelt, um Hungermechanismen in E. coli auszulösen . ^{[ 17 ]}

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

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

Acetyl-CoA aus dem Abbau von Zuckern in der Glykolyse wurde bisher zum Aufbau von Fettsäuren verwendet. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass der Keasling-Stamm sein eigenes Ethanol synthetisieren und die Fettsäure ( durch Umesterung ) weiterverarbeiten kann, um stabile Fettsäureethylester (FAEEs) zu erzeugen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer weiteren Verarbeitung vor der Gewinnung eines in Dieselmotoren verwendbaren Kraftstoffs. ^{[ 18 ]}

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

Acetyl-CoA wird sowohl bei der Herstellung von Ethanol als auch von Fettsäuren verwendet.

${\displaystyle Acetyl-CoA\Longrightarrow Fettsäure+Ethanol}$

${\displaystyle Fettsäure + Ethanol → FAEE}$

In Vorstudien wurde die Kombination dieser beiden Methoden zur Herstellung von FAEEs unter Verwendung von Acetat als einziger Kohlenstoffquelle mittels einer Kombination der oben beschriebenen Verfahren durchgeführt. ^{[ 19 ]} Die Produktionsmengen aller genannten Methoden reichen (noch) nicht für großtechnische Anwendungen aus.