Ацетил-КоА-карбоксилаза

Ацетил-КоА-карбоксилаза
Идентификаторы
Шифр КФ	6.4.1.2
Номер CAS	9023-93-2
Базы ферментов
IntEnz	IntEnz view
BRENDA	BRENDA entry
ExPASy	NiceZyme view
MetaCyc	metabolic pathway
KEGG	KEGG entry
PRIAM	profile
PDB structures	RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Gene Ontology	AmiGO • EGO
Поиск
PMC	статьи
PubMed	статьи
NCBI	NCBI proteins
CAS	9023-93-2

Ацетил-КоА-карбоксилаза (ACC) (Шифр КФ 6.4.1.2) — биотинзависимый фермент, катализирующий необратимое карбоксилирование ацетил-КоА с образованием малонил-КоА благодаря двум каталитическим активностям: биотинкарбоксилазной (BC) и карбоксилтрансферазной (CT). У большинства прокариот и в хлоропластах большинства растений и водорослей ACC является ферментом с несколькими субъединицами. В цитоплазме большинства эукариот АСС является крупным многодоменным ферментом. Наиболее важной функцией ACC является обеспечение субстрата малонил-КоА для биосинтеза жирных кислот^[1] Активность ACC может контролироваться на уровне транскрипции, а также с помощью модуляторов малых молекул и ковалентной модификации. Геном человека содержит гены для двух разных АСС^[2]—ACACA^[3] и ACACB^[4].

Структура

Прокариоты и растения имеют мультисубъединичную АСС, состоящую из нескольких полипептидов. Активность биотинкарбоксилазы (BC), белка-носителя карбоксила биотина (BCCP) и карбоксилтрансферазы (CT), сосредоточена в каждой отдельной субъединице. Стехиометрия этих субъединиц в холоферменте ACC различается у разных организмов^[1]. Люди и большинство эукариот развили ACC с каталитическими доменами CT и BC и доменами BCCP на единственном полипептиде. Большинство растений также имеют эту гомомерную форму в цитозоле^[5]. Функциональные области ACC, начинающиеся от N-конца до C-конца, представляют собой биотинкарбоксилазу (BC), связывающую биотин (BB), карбоксилтрансферазу (CT) и АТФ-связывающий мотив (AB). AB находится внутри BC. Биотин ковалентно присоединен через амидную связь к длинной боковой цепи лизина, находящегося в ВВ. Поскольку BB находится между участками BC и CT, биотин может легко перемещаться в оба активных центра, где это необходимо.

У млекопитающих, экспрессирующих две изоформы ACC, основным структурным различием между этими изоформами является удлиненный N-конец ACC2, содержащий митохондриальную целевую последовательность^[1].

Кристаллографические структуры ацетил-КоА-карбоксилазы "E. coli"

Субъединица биотинкарбоксилазы ацетил-КоА-карбоксилазы "E. coli"

Субъединица белка-носителя биотинкарбоксилазы ацетил-КоА карбоксилазы "E. coli"

Карбоксилтрансферазная субъединица ацетил-КоА-карбоксилазы "E. coli"

Гены

Полипептиды, составляющие мультисубъединичные АСС прокариот и растений, кодируются разными генами. У Escherichia coli accA кодирует альфа-субъединицу ацетил-КоА-карбоксилазы^[6] а accD кодирует её бета-субъединицу^[7].

Механизм

Общая реакция ACAC (A, B) протекает по двухступенчатому механизму^[8]. Первая реакция осуществляется BC и включает АТФ-зависимое карбоксилирование биотина бикарбонатом, служащим источником CO₂. Карбоксильная группа переносится от биотина к ацетил-КоА с образованием малонил-КоА во второй реакции, которая катализируется CT.

Механизм реакции ACAC (A, B) .

Цветовое обозначение: фермент, коферменты, названия субстратов, ионы металлов, фосфаты и карбонаты.

В активном центре реакция протекает при обширном взаимодействии остатков Glu296 и положительно заряженных Arg338 и Arg292 с субстратами^[9]. Два Mg²⁺ координируются фосфатными группами на АТФ и необходимы для связывания АТФ с ферментом. Бикарбонат депротонируется Glu296, хотя в растворе этот перенос протона маловероятен, поскольку pKa бикарбоната составляет 10,3. Фермент, по-видимому, манипулирует pKa, чтобы облегчить депротонирование бикарбоната. PKa бикарбоната снижается за счет его взаимодействия с положительно заряженными боковыми цепями Arg338 и Arg292. Кроме того, Glu296 может взаимодействовать с боковой цепью Glu211, тем самым вызывая увеличение pKa. После депротонирования бикарбоната кислород бикарбоната действует как нуклеофил и атакует гамма-фосфат на АТФ. Промежуточный карбоксифосфат быстро разлагается до CO₂ и PO₄^3-. PO₄^3- депротонирует биотин, создавая енолят, стабилизированный Arg338, который впоследствии атакует CO_2, что приводит к образованию карбоксибиотина. Карбоксибиотин перемещается в активный центр карбоксилтрансферазы (СТ), где карбоксильная группа переносится на ацетил-КоА. В отличие от домена BC, о механизме реакции CT известно немного. Предлагаемый механизм — это высвобождение CO₂ из биотина, который впоследствии отрывает протон от метильной группы от ацетил-CoA-карбоксилазы. Полученный енолят атакует CO₂ с образованием малонил-КоА. В конкурирующем механизме отрыв протона согласован с атакой ацетил-КоА.

Функция

Функция ACC — регуляция метаболизма жирных кислот. Когда фермент активен, образуется продукт малонил-КоА, который является строительным блоком для новых жирных кислот и может ингибировать перенос жирной ацильной группы от ацил-КоА к карнитину с помощью карнитинацилтрансферазы, которая ингибирует бета-окисление жирные кислоты в митохондриях.

У млекопитающих экспрессируются две основные изоформы ACC, ACC1 и ACC2, которые различаются как распределением в тканях, так и функцией. ACC1 находится в цитоплазме всех клеток, но его концентрация повышена в липогенных тканях, такими как жировая ткань и лактирующие молочные железы, где важен синтез жирных кислот^[10]. В окислительных тканях, таких как скелетные мышцы и сердце, соотношение экспрессируемого АСС2 выше. И ACC1, и ACC2 высоко экспрессируются в печени, где важны как окисление, так и синтез жирных кислот^[11]. 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 (mtACC1) играет частично дублирующую роль в биосинтезе липоевой кислоты и, следовательно, в липоилировании белков, обеспечивая малонил-КоА для митохондриального синтеза жирных кислот (mtFASII) в тандеме с ACSF3^[12][13].

Регуляция

Контроль ацетил-КоА-карбоксилазы. Киназа, регулируемая АМФ, запускает фосфорилирование фермента (таким образом, инактивируя его), а фермент фосфатаза удаляет фосфатную группу.

Регуляция ACC млекопитающих сложна, она контролирует два различных пула малонил КоА, которые направляются либо на ингибирование бета-окисления, либо на активацию биосинтеза липидов^[14].

ACC1 и ACC2 млекопитающих регулируются транскрипционно множеством промоторов, которые опосредуют изобилие ACC в ответ на состояние питания клеток. Активация экспрессии генов через разные промоторы приводит к альтернативному сплайсингу; однако физиологическое значение конкретных изоферментов ACC остается неясным^[11]. Чувствительность к статусу питания является результатом контроля этих промоторов факторами транскрипции, такими как белок 1, связывающий регуляторный элемент стерола, контролируемый инсулином на уровне транскрипции, и ChREBP, экспрессия которого увеличивается при диете с высоким содержанием углеводов^[15][16].

Через петлю прямой связи цитрат аллостерически активирует АСС^[17]. Цитрат может увеличить полимеризацию АСС для увеличения ферментативной активности; однако неясно, является ли полимеризация основным механизмом цитрата увеличения активности АСС или полимеризация является артефактом экспериментов in vitro. Другие аллостерические активаторы включают глутамат и другие дикарбоновые кислоты^[18]. Длинноцепочечные и короткоцепочечные жирные ацил-КоА являются ингибиторами АСС с отрицательной обратной связью^[19].

Фосфорилирование может происходить, когда гормоны глюкагон или адреналин связываются с рецепторами клеточной поверхности, но основная причина фосфорилирования связана с повышением уровня АМФ при низком энергетическом статусе клетки, что приводит к активации АМФ-активируемой протеинкиназы. (AMPK). AMPK является основным регулятором киназы ACC, способным фосфорилировать ряд сериновых остатков на обеих изоформах ACC^[20]. На ACC1 AMPK фосфорилирует Ser79, Ser1200 и Ser1215. Протеинкиназа А также обладает способностью фосфорилировать АСС с гораздо большей способностью фосфорилировать АСС2, чем АСС1. Однако физиологическое значение протеинкиназы A в регуляции ACC в настоящее время неизвестно. Исследователи предполагают, что существуют другие киназы ACC, важные для его регуляции, поскольку существует множество других возможных сайтов фосфорилирования на ACC^[21].

Когда инсулин связывается со своими рецепторами на клеточной мембране, он активирует фермент фосфатазу, называемый протеинфосфатазой 2A (PP2A), для дефосфорилирования фермента; тем самым снимая ингибирующий эффект. Кроме того, инсулин индуцирует фосфодиэстеразу, которая снижает уровень цАМФ в клетке, таким образом ингибируя PKA, а также напрямую ингибирует AMPK. 

Этот белок может использовать морфеиновую модель аллостерической регуляции^[22].

Клиническое значение

На стыке путей синтеза и окисления липидов ACC представляет множество клинических возможностей для производства новых антибиотиков и разработки новых методов лечения диабета, ожирения и других проявлений метаболического синдрома^[23]. Исследователи стремятся использовать структурные различия между бактериальными и человеческими ACC для создания антибиотиков, специфичных для бактериальных ACC, чтобы минимизировать побочные эффекты для пациентов. Многообещающие результаты в отношении полезности ингибитора АСС включают открытие, что мыши без экспрессии АСС2 имеют непрерывное окисление жирных кислот, снижение массы жира и уменьшение массы тела, несмотря на увеличение потребления пищи. Эти мыши также защищены от диабета^[14]. Недостаток ACC1 у мутантных мышей летален уже на эмбриональной стадии. Однако неизвестно, должны ли лекарственные средства, нацеленные на ACC у людей, быть специфичными для ACC2^[24].

Фирсокостат (ранее GS-976, ND-630, NDI-010976) является мощным аллостерическим ингибитором ACC, действующим на BC-домен ACC^[25]. Фирсокостат разрабатывается фармацевтической компанией Gilead в 2019 году (фаза II)^[26] как часть комбинированного лечения неалкогольного стеатогепатита (НАСГ), который, как считается, является все более частой причиной печеночной недостаточности^[27].

Кроме того, селективные к растениям ингибиторы ACC широко используются в качестве гербицидов^[28] что предполагает клиническое применение против паразитов Apicomplexa, которые зависят от изоформы ACC растительного происхождения^[29], включая малярию.

Гетерогенные клинические фенотипы метаболического заболевания комбинированной малоновой и метилмалоновой ацидурии (CMAMMA), вызванного дефицитом ACSF3, как полагают, являются результатом частичной компенсации митохондриальной изоформы ACC1 (mtACC1) за недостаток ACSF3 в митохондриальном синтезе жирных кислот (mtFASII)^[30].

Примечания

1. L. Tong. Acetyl-coenzyme A carboxylase: crucial metabolic enzyme and attractive target for drug discovery (англ.) // Cellular and Molecular Life Sciences. — 2005-08. — Vol. 62, iss. 16. — P. 1784–1803. — ISSN 1420-9071 1420-682X, 1420-9071. — doi:10.1007/s00018-005-5121-4.
2. R. W. Brownsey, R. Zhande, A. N. Boone. Isoforms of acetyl-CoA carboxylase: structures, regulatory properties and metabolic functions (англ.) // Biochemical Society Transactions. — 1997-11-01. — Vol. 25, iss. 4. — P. 1232–1238. — ISSN 1470-8752 0300-5127, 1470-8752. — doi:10.1042/bst0251232. Архивировано 3 сентября 2022 года.
3. L Abu-Elheiga, A Jayakumar, A Baldini, S S Chirala, S J Wakil. Human acetyl-CoA carboxylase: characterization, molecular cloning, and evidence for two isoforms. (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 1995-04-25. — Vol. 92, iss. 9. — P. 4011–4015. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.92.9.4011.
4. Jane Widmer, Katherine S. Fassihi, Susannah C. Schlichter, Kate S. Wheeler, Barbara E. Crute. Identification of a second human acetyl-CoA carboxylase gene (англ.) // Biochemical Journal. — 1996-06-15. — Vol. 316, iss. 3. — P. 915–922. — ISSN 1470-8728 0264-6021, 1470-8728. — doi:10.1042/bj3160915. Архивировано 3 сентября 2022 года.
5. Yukiko Sasaki, Yukio Nagano. Plant Acetyl-CoA Carboxylase: Structure, Biosynthesis, Regulation, and Gene Manipulation for Plant Breeding (англ.) // Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. — 2004-01. — Vol. 68, iss. 6. — P. 1175–1184. — ISSN 1347-6947 0916-8451, 1347-6947. — doi:10.1271/bbb.68.1175. Архивировано 2 августа 2022 года.
6. accA, acetyl-CoA carboxylase alpha subunit (Escherichia coli str. K-12 substr. MG1655)  (неопр.). NCBI gene. National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine. Дата обращения: 8 июля 2021. Архивировано 26 апреля 2021 года.
7. accD, acetyl-CoA carboxylase beta subunit (Escherichia coli str. K-12 substr. MG1655)  (неопр.). NCBI gene. National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine. Дата обращения: 8 июля 2021. Архивировано 26 апреля 2021 года.
8. Chung-Kyung Lee, Hae-Kap Cheong, Kyoung-Seok Ryu, Jae Il Lee, Weontae Lee. Biotinoyl domain of human acetyl-CoA carboxylase: Structural insights into the carboxyl transfer mechanism (англ.) // Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. — 2008-02-04. — Vol. 72, iss. 2. — P. 613–624. — doi:10.1002/prot.21952. Архивировано 3 сентября 2022 года.
9. Chi-Yuan Chou, Linda P.C. Yu, Liang Tong. Crystal Structure of Biotin Carboxylase in Complex with Substrates and Implications for Its Catalytic Mechanism (англ.) // Journal of Biological Chemistry. — 2009-04. — Vol. 284, iss. 17. — P. 11690–11697. — doi:10.1074/jbc.M805783200. Архивировано 2 ноября 2022 года.
10. Tae-Suk Kim, Patrick Leahy, Hedley C. Freake. Promoter Usage Determines Tissue Specific Responsiveness of the Rat Acetyl-CoA Carboxylase Gene (англ.) // Biochemical and Biophysical Research Communications. — 1996-08. — Vol. 225, iss. 2. — P. 647–653. — doi:10.1006/bbrc.1996.1224. Архивировано 7 октября 2022 года.
11. Michael C. Barber, Nigel T. Price, Maureen T. Travers. Structure and regulation of acetyl-CoA carboxylase genes of metazoa (англ.) // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular and Cell Biology of Lipids. — 2005-03. — Vol. 1733, iss. 1. — P. 1–28. — doi:10.1016/j.bbalip.2004.12.001. Архивировано 30 июня 2022 года.
12. Geoffray Monteuuis, Fumi Suomi, Juha M. Kerätär, Ali J. Masud, Alexander J. Kastaniotis. A conserved mammalian mitochondrial isoform of acetyl-CoA carboxylase ACC1 provides the malonyl-CoA essential for mitochondrial biogenesis in tandem with ACSF3 (англ.) // Biochemical Journal. — 2017-11-15. — Vol. 474, iss. 22. — P. 3783–3797. — ISSN 0264-6021. — doi:10.1042/BCJ20170416. Архивировано 22 июня 2023 года.
13. Alexander J. Kastaniotis, Kaija J. Autio, Remya R. Nair. Mitochondrial Fatty Acids and Neurodegenerative Disorders (англ.) // The Neuroscientist. — 2021-04. — Vol. 27, iss. 2. — P. 143–158. — ISSN 1073-8584. — doi:10.1177/1073858420936162. Архивировано 28 июня 2023 года.
14. Lutfi Abu-Elheiga, Martin M. Matzuk, Khaled A. H. Abo-Hashema, Salih J. Wakil. Continuous Fatty Acid Oxidation and Reduced Fat Storage in Mice Lacking Acetyl-CoA Carboxylase 2 (англ.) // Science. — 2001-03-30. — Vol. 291, iss. 5513. — P. 2613–2616. — ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203. — doi:10.1126/science.1056843. Архивировано 3 сентября 2022 года.
15. F. Jeffrey Field, Ella Born, Shubha Murthy, Satya N. Mathur. Polyunsaturated fatty acids decrease the expression of sterol regulatory element-binding protein-1 in CaCo-2 cells: effect on fatty acid synthesis and triacylglycerol transport (англ.) // Biochemical Journal. — 2002-12-15. — Vol. 368, iss. 3. — P. 855–864. — ISSN 1470-8728 0264-6021, 1470-8728. — doi:10.1042/bj20020731. Архивировано 3 сентября 2022 года.
16. Seiji Ishii, Katsumi IIzuka, Bonnie C. Miller, Kosaku Uyeda. Carbohydrate response element binding protein directly promotes lipogenic enzyme gene transcription (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2004-11-02. — Vol. 101, iss. 44. — P. 15597–15602. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.0405238101. Архивировано 3 сентября 2022 года.
17. D. B. Martin, P. R. Vagelos. The mechanism of tricarboxylic acid cycle regulation of fatty acid synthesis (англ.) // The Journal of Biological Chemistry. — 1962-06. — Vol. 237. — P. 1787–1792. — ISSN 0021-9258. Архивировано 4 декабря 2021 года.
18. Adrienne N. Boone, Andy Chan, Jerzy E. Kulpa, Roger W. Brownsey. Bimodal Activation of Acetyl-CoA Carboxylase by Glutamate (англ.) // Journal of Biological Chemistry. — 2000-04. — Vol. 275, iss. 15. — P. 10819–10825. — doi:10.1074/jbc.275.15.10819. Архивировано 7 ноября 2022 года.
19. Nils Joakim Færgeman, Jens Knudsen. Role of long-chain fatty acyl-CoA esters in the regulation of metabolism and in cell signalling (англ.) // Biochemical Journal. — 1997-04-01. — Vol. 323, iss. 1. — P. 1–12. — ISSN 1470-8728 0264-6021, 1470-8728. — doi:10.1042/bj3230001. Архивировано 3 сентября 2022 года.
20. S. H. Park, S. R. Gammon, J. D. Knippers, S. R. Paulsen, D. S. Rubink. Phosphorylation-activity relationships of AMPK and acetyl-CoA carboxylase in muscle (англ.) // Journal of Applied Physiology. — 2002-06-01. — Vol. 92, iss. 6. — P. 2475–2482. — ISSN 1522-1601 8750-7587, 1522-1601. — doi:10.1152/japplphysiol.00071.2002.
21. R.W. Brownsey, A.N. Boone, J.E. Elliott, J.E. Kulpa, W.M. Lee. Regulation of acetyl-CoA carboxylase // Biochemical Society Transactions. — 2006-04-01. — Т. 34, вып. 2. — С. 223. — doi:10.1042/BST20060223.
22. Trevor Selwood, Eileen K. Jaffe. Dynamic dissociating homo-oligomers and the control of protein function (англ.) // Archives of Biochemistry and Biophysics. — 2012-03. — Vol. 519, iss. 2. — P. 131–143. — doi:10.1016/j.abb.2011.11.020. Архивировано 11 октября 2022 года.
23. Current Immunology Reviews (англ.). http://www.eurekaselect.com. Дата обращения: 3 сентября 2022. Архивировано 8 мая 2021 года.
24. Lutfi Abu-Elheiga, Martin M. Matzuk, Parichher Kordari, WonKeun Oh, Tattym Shaikenov. Mutant mice lacking acetyl-CoA carboxylase 1 are embryonically lethal (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2005-08-23. — Vol. 102, iss. 34. — P. 12011–12016. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.0505714102. Архивировано 3 сентября 2022 года.
25. Geraldine Harriman, Jeremy Greenwood, Sathesh Bhat, Xinyi Huang, Ruiying Wang. Acetyl-CoA carboxylase inhibition by ND-630 reduces hepatic steatosis, improves insulin sensitivity, and modulates dyslipidemia in rats (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2016-03-29. — Vol. 113, iss. 13. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.1520686113. Архивировано 3 сентября 2022 года.
26. Gilead shores up hope for NASH cocktail with a glimpse at positive proof-of-concept data  (неопр.). Endpoints News (11 апреля 2019). Дата обращения: 8 июля 2021. Архивировано 9 июля 2021 года.
27. Christiana Lucas, Georgia Lucas, Nicholas Lucas, Joanna Krzowska-Firych, Krzysztof Tomasiewicz. A systematic review of the present and future of non-alcoholic fatty liver disease // Clinical and Experimental Hepatology. — 2018. — Т. 4, вып. 3. — С. 165–174. — ISSN 2392-1099. — doi:10.5114/ceh.2018.78120.
28. Al-Khatib. Acetyl CoA Carboxylase (ACCase) Inhibitors  (неопр.). Herbicide Symptoms. Division of Agriculture and Natural Resources, University of California, Davis. Дата обращения: 8 июля 2021. Архивировано 12 июля 2021 года.
29. E. Zuther, J. J. Johnson, R. Haselkorn, R. McLeod, P. Gornicki. Growth of Toxoplasma gondii is inhibited by aryloxyphenoxypropionate herbicides targeting acetyl-CoA carboxylase (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 1999-11-09. — Vol. 96, iss. 23. — P. 13387–13392. — ISSN 1091-6490 0027-8424, 1091-6490. — doi:10.1073/pnas.96.23.13387. Архивировано 3 сентября 2022 года.
30. Sara Tucci. Brain metabolism and neurological symptoms in combined malonic and methylmalonic aciduria (англ.) // Orphanet Journal of Rare Diseases. — 2020-12. — Vol. 15, iss. 1. — ISSN 1750-1172. — doi:10.1186/s13023-020-1299-7. Архивировано 21 марта 2023 года.

Дальнейшее чтение

• Voet, Donald. Biochemistry / Donald Voet, Judith G. Voet. — 3rd. — Wiley, 2004. — ISBN 978-0-471-19350-0.
• Biochemistry and molecular biology of plants. — Американское общество биологов растений, 2000. — ISBN 978-0-943088-37-2.
• Levert KL, Waldrop GL, Stephens JM (May 2002). "A biotin analog inhibits acetyl-CoA carboxylase activity and adipogenesis". The Journal of Biological Chemistry. 277 (19): 16347—50. doi:10.1074/jbc.C200113200. PMID 11907024.