ACS

Acetyl-Coenzym A-Synthetase (ACS, EC 6.2.1.1) gehört zur Klasse der Ligasen. Der systematische Name dieses Enzyms ist Acetat:CoA-Ligase (AMP-bildend). Weitere gebräuchliche Namen sind Acetat-CoA-Ligase, Acetyl aktivierendes Enzym, Acetat-Thiokinase, acyl-aktivierendes Enzym und so weiter. Die physiologische Rolle des ACS-Enzyms besteht darin, Acetat zu Acetyl-CoA (Ac-CoA) zu aktivieren. Das Enzym liefert zwei Kohlenstoffmetaboliten, die in einer Vielzahl von anabolen und energieproduzierenden Prozessen verwendet werden, deren Aktivität für den Stoffwechsel von prokaryotischen und eukaryotischen Zellen entscheidend ist.

Synthetischer Weg von Ac-CoA

Prokaryotische Zellen haben drei verschiedene Wege entwickelt, die kurzkettige Fettsäuren in Ac-CoA umwandeln. Durch die Kombination dieser Wege können Prokaryoten Acetat als Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen. Ein Weg besteht aus Acetatkinase (AckA) / Phosphotransacetylase (Pta), die Acetat zu Ac-CoA durch Acetat-Phosphat (Ac-P) umwandelt. Das Ack/Pta-System ist ein Weg, der von Prokaryoten genutzt wird, wenn die Acetatkonzentration in der Umgebung hoch (>30 mM) ist. Viele fermentative und fakultativ anaerobe Bakterien nutzen die Umkehrbarkeit des Ack/Pta-Systems, um Energie zu sparen und stabile Konzentrationen von freiem CoA in den Zellen aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck verwenden die Zellen Pta, um Ac-CoA in Ac-P umzuwandeln, das von Ack verbraucht wird, um ATP und Acetat zu produzieren. 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). Ac-CoA-Synthetase (ADP-bildend) katalysiert die reversible Reaktion von Acetat + ATP → ADP + Pi + Ac-CoA. Die erste Entdeckung dieses Enzyms erfolgte im eukaryotischen Parasiten Entamoeba histolytica und dem anaeroben Protozoon Giardia lamblia, wo die ATP-Synthese während ihres fermentativen Wachstums erforderlich ist. Der Mechanismus der AMP-bildenden Ac-CoA-Synthetase unterscheidet sich von der ADP-bildenden Ac-CoA-Synthetase. Wenn die Acetatkonzentration in der Umgebung niedrig (<10 mM) ist, ist acs der primäre synthetische Weg für Ac-CoA. Bei Eukaryoten ist die Rolle von acs wichtiger als bei Prokaryoten, da es der einzige Weg ist, Acetat zu Ac-CoA zu aktivieren.

Struktur

Das Acs-Protein hat mehrere konservierte Regionen mit einer Proteingröße von etwa 70 kDa. Die Kristallstruktur der Hefe-ACS wurde bestimmt, und das aktuelle atomare Modell enthält die Reste 74-713 des Enzyms, aber die Reste 626-637 und 687-699 sind gelöscht. In diesen Resten wurde keine Elektronendichte beobachtet, und sie könnten im Kristall ungeordnet sein. Die Struktur der Hefe-ACS besteht aus einem großen N-terminalen Bereich (Reste 74-576) und einem kleinen C-terminalen Bereich (Reste 577-713), der in der Struktur der bakteriellen ACS und anderer AMP-bildender Enzyme ähnlich ist. Der große Bereich enthält zwei weitgehend parallele β-Faltblätter mit 9 und 8 Strängen. Die beiden Blätter sind parallel zueinander mit 8 Helices, die zwischen ihnen eingeklemmt sind. Der große Bereich umfasst auch ein antiparalleles β-Faltblatt aus fünf Strängen sowie einige α-Helices und kleine β-Faltblätter. Die Elektronendichte der Reste im kleinen Bereich ist viel schwächer als die Elektronendichte im großen Bereich, und die beiden Peptidsegmente, die im aktuellen atomaren Modell fehlen, befinden sich in diesem Bereich. Wie die bakterielle ACS enthält der kleine Bereich der Hefe-ACS ein dreisträngiges β-Faltblatt mit einigen Helices auf seiner Oberfläche.

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

Die Hefe-ACS wurde als Trimer im Kristall beobachtet, was mit Gel-Filtration und Lichtstreuungsstudien in Lösung übereinstimmt. Das Trimer wird durch den großen Bereich der drei Monomere gebildet, und der kleine Bereich befindet sich am Rand des Oligomers. Etwa 1500 Ų der Oberfläche jedes Monomers sind an der Trimeroberfläche verborgen. Im Gegensatz dazu ist die bakterielle ACS ein Monomer. Reste an der Trimeroberfläche der Hefe-ACS sind in der bakteriellen ACS schlecht konserviert, insbesondere 298KKYKTY303, das etwa ~400 Ų der Oberfläche zur Trimeroberfläche beiträgt. Studien zu den Aminosäuresequenzen anderer ACS-Enzyme haben gezeigt, dass Reste, die für die Trimerbildung wichtig sind, charakteristisch für die 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 Reaktion von Acetat, CoA und ATP zur Bildung von Ac-CoA. Dieses Enzym kommt in den meisten lebenden Organismen von Bakterien bis Menschen vor und spielt eine Schlüsselrolle bei der Aktivierung und Nutzung von Acetat, Propionat und anderen kleinen organischen Säuren. Das Ac-CoA-Produkt wird für die Biosynthese von Glukose, Fettsäuren und Cholesterin verwendet und kann auch zur Oxidation im Zitronensäurezyklus zur Energieproduktion verwendet werden. Die von ACS katalysierte Reaktion wird in zwei Schritte unterteilt. Im ersten Schritt katalysiert das Enzym die Produktion des Acetyl-AMP-Intermediats aus dem Acetat- und ATP-Substrat und setzt dabei das Pyrophosphat PPi frei. Im zweiten Schritt reagiert das Acetyl-AMP-Intermediat mit CoA, um ein Acetyl-CoA-Produkt zu bilden und AMP freizusetzen. Daher gehört ACS zur Superfamilie der AMP-bildenden Enzyme, zu der auch die Glühwürmchen-Luziferase, Acyl-CoA-Synthetase und nicht-ribosomale Peptidsynthetasen wie Gramicidin-Synthetase gehören.

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

AMP bindet an der Schnittstelle zwischen großen und kleinen Domänen, obwohl die meisten mit Resten in großen Domänen interagieren. Die Adeninbase befindet sich auf einer Seite zwischen den Resten Glu444 und Pro445, und das Tyr469 befindet sich auf der anderen Seite. Die N6-Aminogruppe von Adenin bildet eine Wasserstoffbrücke mit der Seitenkette von Asp467. Die Hydroxylgruppe am Ribose wird von der Seitenketten-Carboxylat von Asp559 erkannt. Einer der terminalen Sauerstoffatome des α-Phosphats ist durch Wasserstoffbrückenbindung an die Hauptkettenamid und die Seitenkettenhydroxylgruppe von Thr472 gebunden. Im kleinen Bereich befindet sich der Rest Lys675 in der Nähe des AMP-Moleküls, aber die Seitenkette des Restes hat keine Elektronendichte mit dem Atom, das in diesem Modell als Ala-Rest modelliert wird. Dieser Rest befindet sich in einem hochkonservierten Segment von ACS und anderen AMP-bildenden Enzymen, und die Acetylierung dieses Restes (Lys609) in der bakteriellen ACS inaktiviert das Enzym. In der Struktur der Adenylierungsdomäne der Gramicidin-Synthetase 1 ist die Lys-Seitenkette wasserstoffbrückenbindend an den Sauerstoff im Ribose-Ring, den Brückensauerstoff zwischen der Ribose und dem α-Phosphat sowie den Carbonylsauerstoff des Substrats gebunden.

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

Literaturverzeichnis