Введение

Фермент, регулирующий метаболизм жирных кислот Ацетил- КоА- карбоксилаза (АКК) является биотинозависимым ферментом, который катализирует необратимую карбоксиляцию ацетил- КоА для получения малонил- КоА посредством двух своих каталитических действий, биотин- карбоксилазы (БК) и карбоксилтрансферазы (КТ). ACC является многоподраздельным ферментом у большинства прокариотов и в хлоропластах большинства растений и водорослей, тогда как это большой многодоменный фермент в цитоплазме большинства эукариотов. Наиболее важной функцией ACC является обеспечение малонилового CoA субстрата для биосинтеза жирных кислот. Активность ACC может контролироваться на транскрипционном уровне, а также с помощью модуляторов малых молекул и ковалентной модификации. Геном человека содержит гены для двух различных ACCs ACCA и ACACB.

Структура

Прокарионы и растения имеют многоподраздельные ACC, состоящие из нескольких полипептидов. Активность биотин- карбоксилазы (BC), биотин- карбоксил- переносный белок (BCCP) и карбоксил- трансферазы (CT) содержится в разных подединицах. Стейхиометрия этих подединиц в голоферменте ACC различается в разных организмах. Функциональные области ACC, начиная с конца N и заканчивая концом C, - это биотин-карбоксилаза (BC), биотин-связывание (BB), карбоксил-трансфераза (CT) и связывание АТФ (AB). AB лежит внутри BC. Биотин ковалентно присоединен через амидную связь к длинной боковой цепи лизинного резидента в BB. Поскольку BB находится между областями BC и CT, биотин может легко перемещаться в оба активных места, где он требуется. У млекопитающих, где экспрессируются две изоформы ACC, основным структурным различием между этими изоформами является расширенный конец ACC2 N, содержащий митохондриальную таргетирующую последовательность. и accD кодирует его бета-субъединение.

Механизм

Общая реакция ACAC ((A,B) происходит по двуступенчатому механизму. Первая реакция проводится с помощью BC и включает в себя карбоксилирование биотина, зависящее от АТФ, с использованием бикарбоната в качестве источника CO2. Карбоксильная группа переносится из биотина в ацетил-КоА для образования малонил-КоА во второй реакции, которая каталитизируется КТ. В активном месте реакция протекает при обширном взаимодействии остатков Glu296 и положительно заряженных Arg338 и Arg292 с субстратами. Два Mg2+ координируются фосфатными группами на АТФ и необходимы для связывания АТФ с ферментом. Бикарбонат депротонируется Glu296, хотя в растворе такая передача протонов маловероятна, так как pKa бикарбоната составляет 10,3. Энзим, по-видимому, манипулирует pKa, чтобы облегчить депротонирование бикарбоната. pKa бикарбоната уменьшается за счет его взаимодействия с положительно заряженными боковыми цепями Arg338 и Arg292. Кроме того, Glu296 взаимодействует с боковой цепью Glu211, взаимодействие, которое, как было показано, вызывает увеличение видимого pKa. После депротонирования бикарбоната кислород бикарбоната действует как нуклеофил и атакует гамма-фосфат на АТФ. Карбоксифосфат быстро распадается на CO2 и PO43−. PO43− депротонирует биотин, создавая энолат, стабилизированный Arg338, который впоследствии атакует CO2, в результате чего образуется карбоксибиотин. В окислительных тканях, таких как скелетная мышца и сердце, отношение выраженного ACC2 выше. ACC1 и ACC2 высоко экспрессируются в печени, где важны как окисление, так и синтез жирных кислот. Различия в распределении тканей указывают на то, что ACC1 поддерживает регуляцию синтеза жирных кислот, тогда как ACC2 в основном регулирует окисление жирных кислот (бета-окисление). Митохондриальная изоформа ACC1 (mACC1) играет частично избыточную роль в синтезе липоевой кислоты и, следовательно, в липофиляции белка, обеспечивая малонил-КоА для синтеза митохондриальных жирных кислот (mtFASII) в тандеме с ACSF3.

Регулирование

Регулирование ACC у млекопитающих является сложным, чтобы контролировать два различных пула малонил-КоА, которые направляют либо ингибирование бета-окисления, либо активацию липидного биосинтеза. Через цикл обратной передачи цитрат аллостерически активирует ACC. Цитрат может увеличивать полимеризацию ACC для увеличения ферментативной активности; однако неясно, является ли полимеризация основным механизмом цитрата для увеличения активности ACC или полимеризация является артефактом экспериментов in vitro. Другие аллостерические активирующие вещества включают глутамат и другие дикарбоновые кислоты. Длинно- и короткоцепочечные жировые ацил-коацилы являются ингибиторами отрицательной обратной связи АЦК. Одним из таких отрицательных аллостерических модуляторов является пальмитоил-коА. Фосфорилирование может возникать, когда гормоны глюкагон или эпинефрин связываются с рецепторами поверхности клетки, но основная причина фосфорилирования связана с повышением уровня AMP, когда энергетический статус клетки низок, что приводит к активации активированной белковой киназы AMP (AMPK). AMPK является основным регулятором киназы ACC, способным фосфорилировать ряд серинных остатков на обеих изоформах ACC. На ACC1 AMPK фосфорилирует Ser79, Ser1200 и Ser1215. Протеинкиназа А также обладает способностью к фосфорилированию ACC, с гораздо большей способностью к фосфорилированию ACC2 чем ACC1. Сер80 и Сер1263 на ACC1 также могут служить местом фосфорилирования в качестве регуляторного механизма. Однако физиологическое значение белковой киназы А в регуляции АКС в настоящее время неизвестно. Исследователи предполагают, что существуют другие киназы ACC, важные для ее регуляции, поскольку на ACC существует много других возможных мест фосфорилирования. Когда инсулин связывается с рецепторами на клеточной мембране, он активирует фермент фосфатазы, называемый белковой фосфатазой 2А (PP2A), чтобы дефосфорилировать фермент; тем самым устраняя ингибирующий эффект. Кроме того, инсулин индуцирует фосфодиэстеразу, которая снижает уровень cAMP в клетке, тем самым ингибируя PKA, а также непосредственно ингибирует AMPK. Этот белок может использовать морфеиновую модель аллостерической регуляции.

Клинические последствия

На стыке синтеза липидов и окислительных путей ACC представляет собой много клинических возможностей для производства новых антибиотиков и разработки новых методов лечения диабета, ожирения и других проявлений метаболического синдрома. Исследователи стремятся использовать структурные различия между бактериальными и человеческими ACC для создания антибиотиков, специфичных для бактериального ACC, в попытках минимизировать побочные эффекты для пациентов. Ожидательные результаты полезности ингибитора АСК включают в себя вывод о том, что у мышей без экспрессии АСК2 наблюдается непрерывная окисление жирных кислот, снижение массы жира в организме и снижение массы тела, несмотря на увеличение потребления пищи. Эти мыши также защищены от диабета. Отсутствие ACC1 у мутантных мышей смертельно опасно уже на эмбриональной стадии. Однако неизвестно, должны ли препараты, направленные на ACC у человека, быть специфичными для ACC2. Фирсокостат (ранее GS 976, ND 630, NDI 010976) является мощным аллостерическим ингибитором ACC, действующим в домене BC ACC. Фирсокостат разрабатывается в 2019 году (фаза II) фармацевтической компанией Gilead в рамках комбинированного лечения неалкогольного стеатогепатита (НАСГ), который, как полагают, является возрастающей причиной печеночной недостаточности. Кроме того, селективные ингибиторы ACC широко используются в качестве гербицидов, что предполагает клиническое применение против паразитов Apicomplexa, которые зависят от растительной изоформы ACC, включая малярию. Гетерогенные клинические фенотипы сочетаемой малоновой и метилмалоновой кислотюрии (CMAMMA) вследствие дефицита ACSF3 как полагают, являются результатом частичной компенсации митохондриальной изоформы ACC1 (mACC1) за дефицит ACSF3 в митохондриальном синтезе жирных кислот (mtFASII).