아세틸-CoA 합성효소

Acetyl-CoA synthetase
아세테이트-코아 리가아제
식별자
EC 번호6.2.1.1
CAS 번호.9012-31-1
데이터베이스
인텐츠IntEnz 뷰
브렌다브렌다 입력
엑스퍼시나이스자이메 뷰
케그KEG 입력
메타사이크대사통로
프리암프로필
PDB 구조RCSB PDB PDBe PDBsum
진 온톨로지아미고 / 퀵고

아세틸-CoA 합성효소(ACS) 또는 아세테이트-CoA 리기아제는 아세테이트의 신진대사에 관여하는 효소(EC 6.2.1.1)이다. 그것은 두 개의 큰 분자 사이에 새로운 화학적 결합의 형성을 촉진한다는 뜻의 효소의 리가아제 등급에 있다.

반응

아세틸 CoA를 구성하는 두 분자는 아세테이트와 코엔자임 A(CoA)이다. 포함된 모든 기판과 제품에 대한 완전한 반응은 다음과 같다.

ATP + 아세테이트 + CoA <=> AMP + 파이로인산염 + 아세틸-CoA[1]

아세틸-CoA가 형성되면 에어로빅 호흡에 TCA 사이클에서 에너지와 전자 운반체를 생산할 수 있다. 이것은 사이클을 시작하는 다른 방법인데, 더 일반적인 방법은 화농산염으로부터 화농산염 탈수소효소 복합체를 통한 아세틸-CoA를 생성하는 것이다. 효소의 활동은 미토콘드리아 매트릭스에서 일어나기 때문에 제품이 다음의 대사 단계에서 사용하기에 적절한 위치에 있게 된다.[2] 아세틸 Co-A는 지방산 합성에도 사용될 수 있으며, 합성효소의 공통 기능은 이를 위해 아세틸 Co-A를 생산하는 것이다.[3]

아세틸-CoA 합성효소에 의해 촉매된 반응은 두 단계로 이루어진다. 첫째, AMP는 효소에 의해 결합되어 활성 부위의 순응적 변화를 일으켜 반응이 일어나도록 해야 한다. 활성 사이트를 A-클러스터라고 한다.[4] Co-A가 구속되는 첫 번째 반응을 촉진하기 위해 활성 부지에 중요한 리신 잔류물이 존재해야 한다. 그런 다음 Co-A는 활성 부위에서 아세테이트가 CoA에 공동 결합할 수 있는 위치로 회전한다. 공밸런트 결합은 Co-A의 황 원자와 아세테이트의 중심 탄소 원자 사이에 형성된다.[5]

아세틸-CoA 합성효소의 ACS1 형태는 아세테이트에 의해 활성화되고 포도당에 의해 비활성화되는 유전자 facA에 의해 암호화된다.[6]

구조

비대칭 ACS(RCSB PDB ID 번호: 1PG3)의 3차원 구조로 보아 2개의 서브유닛으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 각 하위 단위는 주로 두 개의 영역으로 구성된다. 더 큰 N-단자 영역은 517개의 잔류물로 구성되어 있고, 더 작은 C-단자 영역은 130개의 잔류물로 구성되어 있다.[7] 각 서브 유닛에는 리간드가 열리는 활성 부지가 있다. ACS의 결정화된 구조는 효소에 결합된 CoA와 아데노신-5 5-프로필인산염으로 결정되었다. 아데노신- 5′-프로필인산염을 사용하는 이유는 효소에 대한 순응적 변화를 막는 ATP 경쟁억제제기 때문이다. AMP/ATP의 아데닌 링은 잔류물 Ile(512)과 Trp(413)에 의해 만들어진 소수성 포켓에 고정되어 있다.[7]

결정화된 구조의 근원은 살모넬라 장티푸륨(스트레인 LT2 / SGSC1412 / ATCC 700720)이다. 그리고 나서 ACS의 유전자는 발현을 위해 대장균 BL21(DE3)에 감염되었다. 효소를 분리하는 과정에서 크로마토그래피 과정에서 서브유닛이 개별적으로 나와 총구조가 별도로 결정됐다.[7] 구조물을 결정하는 데 사용된 방법은 해상도가 2.3 앵스트롬인 X선 회절이었다. 단위 셀 값과 각도는 다음 표에 제공된다.

PyMol 소프트웨어를 이용한 ACS(1PG3)의 3D 구조.[8]
활성 사이트에 바인딩된 리간드를 보여주는 ACS(1PG3)의 축 보기. 결정화에 사용되는 리간드는 아데노신-5'-프로필인산염, CoA, 에탄디올이다.
유닛 셀
길이(å) 각도(°)
a= 59.981 α= 90.00
b= 143.160 β= 91.57
c= 71.934 γ= 90.00

함수

ACS 효소의 역할은 아세틸 CoA를 형성하기 위해 아세테이트와 CoA를 결합하는 것이지만 그 중요성은 훨씬 더 크다. 이 효소 반응에서 제품의 가장 잘 알려진 기능은 지방산의 생산뿐만 아니라 TCA 사이클의 역할에도 아세틸-CoA를 사용하는 것이다. 이 효소는 유전자 조절뿐만 아니라 히스톤 아세틸화의 작용에 필수적이다.[9] 이 아세틸화가 포유류에게 미치는 영향은 매우 크다. 쥐의 해마 부위에 있는 acs 유전자의 하향 조절은 히스톤 아세틸화의 낮은 수준을 초래하지만 동물의 장기적 공간 기억력을 손상시키는 것으로 나타났다. 이 결과는 세포 대사, 유전자 조절, 인지 기능 사이의 연관성을 지적한다.[9] 이 효소는 대장암에 종양이 존재하는데 흥미로운 바이오마커로 밝혀졌다. 이 유전자가 존재할 때, 세포들은 스트레스 받는 조건 동안 그것을 아세틸-CoA로 변환하기 위한 음식 공급원으로 아세테이트를 섭취할 수 있다. 고도암종양의 경우 이 효소의 유전자는 감응된 조절을 받았으며 5년 생존율이 저조한 것으로 나타났다.[10] 효소의 발현도 전이성 종양 노드의 발달과 연관되어 신세포암 환자에서 생존율이 저조하게 되었다.[11]

규정

효소의 활동은 여러 가지 방법으로 조절된다. 활성 현장의 필수 라이신 잔류물은 활동 규제에 중요한 역할을 한다. 리신 분자는 시르투인이라고 불리는 또 다른 종류의 효소에 의해 분해될 수 있다. 포유류에서 세포질-핵합성효소(AceCS1)는 SIRT1에 의해 활성화되고, 미토콘드리아합성효소(AceCS2)는 SIRT3에 의해 활성화된다. 이 작용은 이 효소의 활동을 증가시킨다.[2] 라이신 잔여물의 정확한 위치는 종마다 다르며, 인간에게 리신-642에서 발생하지만 효소의 활성 부위는 항상 존재한다.[12] AMP 분자의 결합과 함께 발생하는 필수적 신경계 변화가 있기 때문에, AMP의 존재는 효소의 조절에 기여할 수 있다. AMP의 농도는 알로스테릭 바인딩 사이트에서 바인딩되고 다른 기판이 활성 사이트에 들어갈 수 있을 정도로 충분히 높아야 한다. 또한 구리 이온은 A-클러스터 활성 사이트의 근위부위를 점유하여 아세틸 Co-A 합성효소를 비활성화하여 효소가 우드-중달 경로에 참여할 메틸 그룹을 수용하지 못하게 한다.[4] 모든 효소에서와 같이 적절한 기능을 발휘하기 위해서는 적절한 농도의 모든 반응물질의 존재도 필요하다. 아세틸-CoA 합성효소도 지방산 합성에 필요할 때 생성되지만, 정상적인 조건에서는 유전자가 비활성화되고 필요할 때 전사를 활성화하는 일정한 전사 인자를 가지고 있다.[3] 시르투인 외에도 단백질 디아세틸라아제(AcuC)는 리신 잔여물에서 아세틸-CoA 합성효소를 수정할 수 있다. 단, 시르투인과는 달리 AcuC는 코즈볼트로서 NAD+를 필요로 하지 않는다.[13]

유전자 발현에서의 역할

아세틸-CoA 합성효소의 활동은 보통 대사 경로와 관련이 있지만 효소는 유전자 발현에도 관여한다. 효모에서 아세틸-CoA 합성효소는 히스톤 아세틸화를 위해 아세틸-CoA를 히스톤 아세틸전달효소에 전달한다. 정확한 아세틸화가 없으면 DNA가 염색질로 제대로 응축되지 못해 전사 오류가 발생할 수밖에 없다.[14]

산업적용

키슬링 생합성 경로를 사용하여 제작된 FAEE(C12)는 공학적 대장균(A2A)에서 생산된다. 통합된 아세틸-CoA 유닛의 수에 따라 다른 유형이 가능하다( 짝수 번호 체인으로 산출됨).
대표적인 지방산 분자(팔미트산, C16)

아세틸-CoA를 기질로 사용하는 경로를 활용함으로써 소비자 제품일 가능성이 있는 엔지니어링된 제품을 얻을 수 있다. Acs 유전자를 과도하게 누르고, 아세테이트를 공급원료로 사용함으로써 지방산(FA)의 생산을 증가시킬 수 있다.[15] 아세테이트가 대장균 대사의 일반적인 폐기물이고 유기체에 높은 수준에서 독성이 있기 때문에, 아세테이트를 사료 육수로 사용하는 것은 드문 일이다. 대장균을 적응시켜 아세테이트를 공급원료로 사용함으로써 이들 미생물들은 살아남아 공학적 제품을 생산할 수 있었다. 이러한 지방산은 매체로부터 분리된 후 바이오 연료로 사용될 수 있으며, 사용 가능한 바이오디젤 연료를 산출하기 위해 추가 처리(트랜지스터화)가 필요하다. 높은 수준의 아세테이트 흡수를 유도하기 위한 원래 적응 프로토콜은 대장균에서 기아 메커니즘을 유도하기 위한 수단으로 1959년에 혁신되었다.[16]

지방산을 에스테르 메커니즘에 대한 역세스터화

세포내

당분해에서 발생하는 아세틸-CoA는 지방산을 형성하는데 사용되어 왔다. 그러나 그 차이는 키슬링 균주가 자체 에탄올을 합성할 수 있고, 지방산을 더 가공하여 안정적인 지방산 에틸 에스테르(FAEEs)를 만들 수 있다는 데 있다. 디젤 엔진에서 사용 가능한 연료 제품을 얻기 전에 추가로 처리할 필요성 [17]제거

아세테이트에서 FAEE의 생산을 위한 대장균으로의 규정 변경.

에탄올과 지방산의 생산에 사용되는 아세틸 CoA

전분화

위에서 설명한 방법을 조합하여 아세테이트를 유일한 탄소원으로 사용하여 이 두 방법을 조합하여 FAEE를 생산한 경우 예비 연구가 수행되었다.[18][unreliable source] 언급된 모든 방법의 생산 수준은 대규모 애플리케이션(yet)에 요구되는 수준까지는 아니다.

참조

  1. ^ 케그
  2. ^ a b Schwer B, Bunkenborg J, Verdin RO, Andersen JS, Verdin E (July 2006). "Reversible lysine acetylation controls the activity of the mitochondrial enzyme acetyl-CoA synthetase 2". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (27): 10224–10229. doi:10.1073/pnas.0603968103. PMC 1502439. PMID 16788062.
  3. ^ a b Ikeda Y, Yamamoto J, Okamura M, Fujino T, Takahashi S, Takeuchi K, Osborne TF, Yamamoto TT, Ito S, Sakai J (September 2001). "Transcriptional regulation of the murine acetyl-CoA synthetase 1 gene through multiple clustered binding sites for sterol regulatory element-binding proteins and a single neighboring site for Sp1". The Journal of Biological Chemistry. 276 (36): 34259–69. doi:10.1074/jbc.M103848200. PMID 11435428.
  4. ^ a b Bramlett MR, Tan X, Lindahl PA (August 2003). "Inactivation of acetyl-CoA synthase/carbon monoxide dehydrogenase by copper". Journal of the American Chemical Society. 125 (31): 9316–7. doi:10.1021/ja0352855. PMID 12889960.
  5. ^ PDB: 1RY2; Jogl G, Tong L (February 2004). "Crystal structure of yeast acetyl-coenzyme A synthetase in complex with AMP". Biochemistry. 43 (6): 1425–31. doi:10.1021/bi035911a. PMID 14769018.
  6. ^ De Cima S, Rúa J, Perdiguero E, del Valle P, Busto F, Baroja-Mazo A, de Arriaga D (Apr 7, 2005). "An acetyl-CoA synthetase not encoded by the facA gene is expressed under carbon starvation in Phycomyces blakesleeanus". Research in Microbiology. 156 (5–6): 663–9. doi:10.1016/j.resmic.2005.03.003. PMID 15921892.
  7. ^ a b c PDB: 1PG3; Gulick AM, Starai VJ, Horswill AR, Homick KM, Escalante-Semerena JC (March 2003). "The 1.75 A crystal structure of acetyl-CoA synthetase bound to adenosine-5'-propylphosphate and coenzyme A". Biochemistry. 42 (10): 2866–73. doi:10.1021/bi0271603. PMID 12627952.
  8. ^ PyMol Molecular Graphics System 버전 2.0 Schrödinger, LLC.
  9. ^ a b Mews P, Donahue G, Drake AM, Luczak V, Abel T, Berger SL (June 2017). "Acetyl-CoA synthetase regulates histone acetylation and hippocampal memory". Nature. 546 (7658): 381–386. doi:10.1038/nature22405. PMC 5505514. PMID 28562591.
  10. ^ Bae JM, Kim JH, Oh HJ, Park HE, Lee TH, Cho NY, Kang GH (February 2017). "Downregulation of acetyl-CoA synthetase 2 is a metabolic hallmark of tumor progression and aggressiveness in colorectal carcinoma". Modern Pathology. 30 (2): 267–277. doi:10.1038/modpathol.2016.172. PMID 27713423. S2CID 2474320.
  11. ^ Zhang S, He J, Jia Z, Yan Z, Yang J (March 2018). "Acetyl-CoA synthetase 2 enhances tumorigenesis and is indicative of a poor prognosis for patients with renal cell carcinoma". Urologic Oncology. 36 (5): 243.e9–243.e20. doi:10.1016/j.urolonc.2018.01.013. PMID 29503142.
  12. ^ Hallows WC, Lee S, Denu JM (July 2006). "Sirtuins deacetylate and activate mammalian acetyl-CoA synthetases". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (27): 10230–10235. doi:10.1073/pnas.0604392103. PMC 1480596. PMID 16790548.
  13. ^ Gardner JG, Grundy FJ, Henkin TM, Escalante-Semerena JC (August 2006). "Control of acetyl-coenzyme A synthetase (AcsA) activity by acetylation/deacetylation without NAD(+) involvement in Bacillus subtilis". Journal of Bacteriology. 188 (15): 5460–8. doi:10.1128/JB.00215-06. PMC 1540023. PMID 16855235.
  14. ^ Takahashi H, McCaffery JM, Irizarry RA, Boeke JD (July 2006). "Nucleocytosolic acetyl-coenzyme a synthetase is required for histone acetylation and global transcription". Molecular Cell. 23 (2): 207–17. doi:10.1016/j.molcel.2006.05.040. PMID 16857587.
  15. ^ Xiao Y, Ruan Z, Liu Z, Wu SG, Varman AM, Liu Y, Tang YJ (2013). "Engineering Escherichia coli to convert acetic acid to free fatty acids". Biochemical Engineering Journal. 76: 60–69. doi:10.1016/j.bej.2013.04.013.
  16. ^ Glasky AJ, Rafelson ME (August 1959). "The utilization of acetate-C14 by Escherichia coli grown on acetate as the sole carbon source". The Journal of Biological Chemistry. 234 (8): 2118–22. doi:10.1016/S0021-9258(18)69876-X. PMID 13673023.
  17. ^ Steen EJ, Kang Y, Bokinsky G, Hu Z, Schirmer A, McClure A, Del Cardayre SB, Keasling JD (January 2010). "Microbial production of fatty-acid-derived fuels and chemicals from plant biomass". Nature. 463 (7280): 559–62. doi:10.1038/nature08721. PMID 20111002. S2CID 4425677.
  18. ^ Banuelos S, Cervantes E, Perez E, Tang S (March 2017). From toxic byproduct to biofuels: Adapting engineered Escherichia coli to produce fatty acid ethyl esters from acetate. Stanford University Course: CHEMENG 185B (Report).