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.
Acetyl CoA carboxylase (ACC) is a biotin dependent enzyme that catalyzes the irreversible carboxylation of acetyl CoA to produce malonyl CoA through its two catalytic activities, biotin carboxylase (BC) and carboxyltransferase (CT). ACC is a multi subunit enzyme in most prokaryotes and in the chloroplasts of most plants and algae, whereas it is a large, multi domain enzyme in the cytoplasm of most eukaryotes. The most important function of ACC is to provide the malonyl CoA substrate for the biosynthesis of fatty acids. The activity of ACC can be controlled at the transcriptional level as well as by small molecule modulators and covalent modification. The human genome contains the genes for two different ACCs—ACACA and 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).