ACS

Acetyl-Coenzym-A-Synthetase (ACS, EC 6.2.1.1) gehört zur Enzymklasse der Ligasen. Der systematische Name dieses Enzyms lautet Acetat:CoA-Ligase (AMP-bildend). Weitere gebräuchliche Bezeichnungen sind u. a. Acetat-CoA-Ligase, Acetyl-aktivierendes Enzym, Acetat-Thiokinase, Acyl-aktivierendes Enzym usw. Die physiologische Funktion des ACS-Enzyms besteht darin, Acetat zu Acetyl-CoA (Ac-CoA) zu aktivieren. Das Enzym stellt Zwei-Kohlenstoff-Metabolite für eine Vielzahl anaboler und energieerzeugender Prozesse bereit; seine Aktivität ist für den Stoffwechsel prokaryotischer und eukaryotischer Zellen von zentraler Bedeutung.

Synthetischer Weg von Ac-CoA

Prokaryotische Zellen haben drei unterschiedliche Stoffwechselwege entwickelt, die kurzkettige Fettsäuren in Ac-CoA umwandeln. Durch die kombinierte Nutzung dieser Wege können Prokaryoten Acetat als Kohlenstoff- und Energiequelle verwerten. Ein Weg umfasst Acetatkinase (AckA) / Phosphotransacetylase (Pta), die Acetat über Acetatphosphat (Ac-P) zu Ac-CoA umsetzt. Das Ack/Pta-System wird von Prokaryoten genutzt, wenn die Acetatkonzentration in der Umgebung hoch ist (>30 mM). Viele fermentative und fakultativ anaerobe Bakterien nutzen die Reversibilität des Ack/Pta-Systems zur Energieerhaltung und zur Aufrechterhaltung stabiler intrazellulärer Spiegel von freiem CoA. Zu diesem Zweck setzen Zellen Pta ein, um Ac-CoA in Ac-P umzuwandeln, das anschließend von Ack zur Bildung von ATP und Acetat umgesetzt wird. Der zweite Weg zur Aktivierung von Acetat zu Ac-CoA besteht aus Ac-CoA-Synthetase (ADP-bildend), und der dritte Weg besteht aus Ac-CoA-Synthetase (AMP-bildend). Die Ac-CoA-Synthetase (ADP-bildend) katalysiert die reversible Reaktion Acetat + ATP → ADP + Pi + Ac-CoA. Dieses Enzym wurde erstmals im eukaryotischen Parasiten Entamoeba histolytica sowie im anaeroben Protozoon Giardia lamblia beschrieben, bei denen während des fermentativen Wachstums eine ATP-Synthese erforderlich ist. Der Mechanismus der AMP-bildenden Ac-CoA-Synthetase unterscheidet sich von dem der ADP-bildenden Ac-CoA-Synthetase. Bei niedriger Acetatkonzentration in der Umgebung (<10 mM) ist acs der primäre Syntheseweg für Ac-CoA. In Eukaryoten ist die Rolle von acs wichtiger als in Prokaryoten, da es der einzige Weg ist, Acetat zu Ac-CoA zu aktivieren.

Struktur

Das Acs-Protein weist mehrere konservierte Regionen auf und hat eine Proteingröße von etwa 70 kDa. Die Kristallstruktur der Hefe-ACS wurde bestimmt; das aktuelle Atommodell umfasst die Aminosäurereste 74–713 des Enzyms, wobei die Reste 626–637 und 687–699 fehlen. Für diese Reste wurde keine Elektronendichte beobachtet; sie könnten im Kristall ungeordnet sein. Die Struktur der Hefe-ACS besteht aus einer großen N-terminalen Domäne (Reste 74–576) und einer kleinen C-terminalen Domäne (Reste 577–713), die in ihrer Struktur der bakteriellen ACS und anderen AMP-bildenden Enzymen ähnelt. Die große Domäne enthält zwei weitgehend parallele β-Faltblätter mit jeweils 9 bzw. 8 Strängen. Die beiden Faltblätter sind zueinander parallel angeordnet, wobei 8 Helices dazwischen eingebettet sind. Die große Domäne umfasst außerdem ein antiparalleles β-Faltblatt aus fünf Strängen sowie einige α-Helices und kleine β-Faltblätter. Die Elektronendichte der Reste in der kleinen Domäne ist deutlich schwächer als in der großen Domäne; die beiden im aktuellen Atommodell fehlenden Peptidsegmente liegen in dieser Domäne. Wie bei der bakteriellen ACS enthält die kleine Domäne der Hefe-ACS ein dreisträngiges β-Faltblatt mit einigen Helices an seiner Oberfläche.

Abbildung 1. Struktur des Monomers der Hefe-ACS. (Jogl G. 2004)

Hefe-ACS wurde im Kristall als Trimer beobachtet, im Einklang mit Gel-Filtrations- und Lichtstreuungsstudien in Lösung. Das Trimer wird durch die große Domäne der drei Monomere gebildet; die kleine Domäne befindet sich an der Peripherie des Oligomers. Etwa 1500 Ų der Oberfläche jedes Monomers sind an der Trimer-Grenzfläche vergraben. Im Gegensatz dazu ist die bakterielle ACS ein Monomer. Reste an der Trimer-Grenzfläche der Hefe-ACS sind in der bakteriellen ACS nur schlecht konserviert, insbesondere 298KKYKTY303, das etwa ~400 Ų zur Grenzflächenoberfläche beiträgt. Untersuchungen der Aminosäuresequenzen anderer ACS-Enzyme haben gezeigt, dass für die Trimerbildung wichtige Reste charakteristisch für Hefe-ACS sind, was darauf hindeutet, dass dieser Trimerisierungsmodus wahrscheinlich nur bei Hefe-ACS-Enzymen auftritt.

Abbildung 2. Trimer der Hefe-ACS. (Jogl G. 2004)

Katalytischer Mechanismus

ACS katalysiert die Umsetzung von Acetat, CoA und ATP zu Ac-CoA. Dieses Enzym kommt in den meisten Organismen vor – von Bakterien bis zum Menschen – und spielt eine Schlüsselrolle bei der Aktivierung und Verwertung von Acetat, Propionat und anderen kleinen organischen Säuren. Das Produkt Ac-CoA wird für die Biosynthese von Glukose, Fettsäuren und Cholesterin verwendet und kann zudem im Citratzyklus zur Energiegewinnung oxidiert werden. Die durch ACS katalysierte Reaktion gliedert sich in zwei Schritte. Im ersten Schritt katalysiert das Enzym die Bildung des Zwischenprodukts Acetyl-AMP aus den Substraten Acetat und ATP und setzt dabei Pyrophosphat (PPi) frei. Im zweiten Schritt reagiert das Zwischenprodukt Acetyl-AMP mit CoA zu Acetyl-CoA unter Freisetzung von AMP. ACS gehört daher zur Superfamilie der AMP-bildenden Enzyme, zu der u. a. das Glühwürmchen-Luciferase-Enzym, Acyl-CoA-Synthetasen sowie nicht-ribosomale Peptidsynthetasen wie die Gramicidin-Synthetase zählen.

Abbildung 3. Mechanismus der humanen Arginase I. (Jogl G. 2004)

AMP bindet an der Grenzfläche zwischen großer und kleiner Domäne, wobei die meisten Wechselwirkungen mit Resten der großen Domäne erfolgen. Die Adeninbase liegt auf der einen Seite zwischen den Resten Glu444 und Pro445; auf der anderen Seite befindet sich Tyr469. Die N6-Aminogruppe des Adenins bildet eine Wasserstoffbrücke mit der Seitenkette von Asp467. Die Hydroxylgruppe der Ribose wird durch das Seitenketten-Carboxylat von Asp559 erkannt. Eines der terminalen Sauerstoffatome des α-Phosphats ist über Wasserstoffbrücken an das Amid der Hauptkette sowie an die Hydroxylgruppe der Seitenkette von Thr472 gebunden. In der kleinen Domäne liegt der Rest Lys675 in der Nähe des AMP-Moleküls; für die Seitenkette dieses Restes ist jedoch keine Elektronendichte vorhanden, weshalb er in diesem Modell als Ala-Rest modelliert wurde. Dieser Rest liegt in einem hochkonservierten Segment der ACS und anderer AMP-bildender Enzyme; die Acetylierung dieses Restes (Lys609) in bakterieller ACS inaktiviert das Enzym. In der Struktur der Adenylierungsdomäne der Gramicidin-Synthetase 1 ist die Lys-Seitenkette über Wasserstoffbrücken an den Sauerstoff im Ribosering, an den Brückensauerstoff zwischen Ribose und α-Phosphat sowie an den Carbonylsauerstoff des Substrats gebunden.

Abbildung 4. Bindungsmodus von AMP. (Jogl G. 2004)

Literatur