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Acetat ist eine sehr verbreitete kurzkettige Fettsäure in der Natur und wird in vielen Stoffwechselprozessen in Eukaryoten und Prokaryoten verwendet. In prokaryotischen Zellen haben sich drei verschiedene Stoffwechselwege entwickelt, um diese kurzkettige Fettsäure in Acetyl-Coenzym A (Ac-CoA) umzuwandeln. In diesen Wegen können Prokaryoten Acetat als Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen. Einer dieser Wege besteht darin, Acetatkinase (AckA, EC 2.7.2.1) / Phosphotransacetylase (Pta EC 2.3.1.8) Enzyme zu verwenden, um Acetat über Acetat-Phosphat (Ac-P) in Ac-CoA zu aktivieren. Der zweite Weg besteht aus Ac-CoA-Synthase (ADP bildend), und der dritte Weg besteht aus Ac-CoA-Synthetase (AMP bildend). Acetyl-CoA-Synthase (ADP bildend, EC 6.2.1.1.3) katalysiert die reversible Reaktion von Acetat + ATP      ADP + Pi + Ac-CoA.

Abbildung 1. Wege zur Umwandlung von Acetat in Ac-CoA (Starai, V. J.; Escalante-Semerena, J. C. 2004)

Das AMP-bildende Acetyl-CoA-Synthetase (Acs) Enzym ist in der Natur konserviert.

AMP-bildende Enzyme katalysieren die Synthese von Produkten durch Acyl-AMP-Intermediate und nehmen an vielen anabolen Prozessen teil. Aufgrund der Bedeutung dieses Enzyms haben viele Enzymologen, Molekularbiologen, Zellphysiologen und Strukturbiologen begonnen, dieses Enzym eingehend zu untersuchen. Acs-Orthologe sind in Bakterien, einigen thermophilen und extrem thermophilen Archaeen sowie in Eukaryoten, einschließlich Pilzen, Pflanzen und Menschen, zu finden. Bioinformatische Studien haben gezeigt, dass alle Acs-Orthologe die gleiche Abstammung haben. Es gibt viele konservierte Regionen im gesamten Acs-Protein, und sie sind ungefähr gleich groß (~70 kDa). Dieses Phänomen der Größenkonservierung deutet darauf hin, dass das vorhandene Acs möglicherweise die kleinste Struktur ist, die erforderlich ist, um die beiden Halbreaktionen zu katalysieren (Abbildung 1B), und dass in der Natur kein größeres Enzym erforderlich ist.

Abbildung 2. Struktur von S. enterica Acs (Starai, V. J.; Escalante-Semerena, J. C. 2004)

Synthese von Acetyl-CoA durch AMP-bildende Acetyl-CoA-Synthetase

Acs katalysiert die Synthese von Ac-CoA durch einen Bi Uni Uni Bi Ping-Pong-Mechanismus. Das Enzym bindet zuerst ATP und dann Acetat, was zur Bildung von enzymgebundenem Acetyl-AMP und zur Freisetzung von Pyrophosphat führt. Ac-CoA wird gebildet, nachdem CoA mit Acs kombiniert wird. Die Reaktion endet mit der sequenziellen Freisetzung von Ac-CoA und AMP. Das Verständnis der Menschen darüber, wie Acs Ac-CoA synthetisiert, ist noch unvollständig. Durch kinetische und strukturelle Analysen von Wildtyp- und Mutanten-Acs sowie anderen AMP-bildenden Enzymen, die aus verschiedenen Organismen isoliert wurden, wird die Rolle dieses Enzyms allmählich aufgedeckt.

Regulation der acs Genexpression

Die transkriptionale Regulation von acs im gramnegativen Bakterium Escherichia coli ist am besten verstanden. In E. coli wird die acs Expression in der mittleren exponentiellen Phase ausgelöst, erreicht ihr Maximum, wenn die Zellen in die stationäre Phase eintreten, und nimmt mit dem Alter der Kultur ab. Die Transkription von acs wird durch Glukose gehemmt, da sie durch das Crp (katabolit-inhibitorisches Protein) aktiviert wird, als Reaktion auf steigendes cyclisches AMP (cAMP). In diesem Bakterium ist acs das promoternahe Gen des drei-Gen-Operons, das einen Acetattransporter (kodiert durch actP) und ein Gen mit unbekannter Funktion, yjcH, umfasst. Die Funktion von ActP ist nur relevant, wenn die Acetatkonzentration in der Umgebung sehr niedrig ist. Die Aktivierung von acs durch Crp erfolgt durch einen synergistischen Typ-III-Mechanismus, bei dem Crp die Hausmeister s⁷⁰-RNA-Polymerase auf acsP2 konzentriert, um einen hocheffizienten offenen Komplex zu erzeugen. Die regulatorische Region von acs enthält eine proximale (CrpI, Zentrum bei –69.5) und eine distale (CrpII, Zentrum bei –122.5) Crp-Bindungsstelle. Die hochaffine CrpI-Stelle ist notwendig für die acs Expression, aber um eine optimale Expression zu erreichen, ist die koordinierte Aktivierung der beiden Stellen erforderlich. Drei Bindungsstellen für die Fis (Faktor für Inversionsstimulation; FisI-III) und Ihf (Integrationswirtfaktor; IhfI-III) Proteine sind ebenfalls in der regulatorischen Region von acs vorhanden.

Posttranslational Regulation der Acs-Aktivität

Die Forschung zur posttranslationalen Regulation von Acs hat in den letzten Jahren nur Fortschritte gemacht. Interessanterweise ist das Sir2 (Sirtuin)-abhängige Protein-Acetylierung/Deacetylierungssystem (SDPADS), das für die Kontrolle der Acs-Aktivität verantwortlich ist, auch an der Kontrolle der eukaryotischen Genexpression beteiligt. Aus metabolischer Sicht ist das wichtigste Merkmal von SDPADS, dass es den Cofaktor NAD⁺ verbraucht, sodass seine Aktivität streng von der Zelle kontrolliert werden muss. Acs ist das erste Stoffwechselenzym, das in Prokaryoten und Eukaryoten durch SDPADS kontrolliert wird. Es gibt eine Verbindung zwischen der Acs-Aktivität (Kohlenstoffmetabolismus) und der NAD⁺ Biosynthese (Energieproduktion). Es wird spekuliert, dass zu niedrige NAD⁺ Spiegel möglicherweise niedrige Energiebelastungen an die Zellen senden, was zu einer Herunterregulierung der Energieverbrauchsreaktion (wie der Acs-Reaktion) führt. Derzeit ist unser Verständnis darüber, wie Acetylasen und Deacetylasen mit ihren Substraten interagieren, begrenzt. Da das Enzym in Bezug auf Kinetik gut charakterisiert ist und die Konformation, die die beiden Halbreaktionen katalysiert, ebenfalls bekannt ist, kann Acs als gutes Modellsystem verwendet werden, um mehr über diese Interaktionen zu lernen.