Acyl-CoA-Oxidase

Die β-Oxidation von Fettsäuren führt zur Bildung von 2-trans-Enoyl-CoA. Acyl-CoA-Oxidasen (ACXs) in Peroxisomen und Acyl-CoA-Dehydrogenasen (ACADs) in Mitochondrien katalysieren den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt, wie in Abb. 1 dargestellt. Fettsäuren werden zunächst durch Thioesterifizierung mittels Acyl-CoA-Synthetasen (ACS) aktiviert. ACXs interagieren mit dem FAD-Kofaktor, um molekularen Sauerstoff zu reduzieren und dadurch den Acyl-Thioester in 2-trans-Enoyl-CoA umzuwandeln. In der peroxisomalen Matrix kann das dabei entstehende H₂O₂ durch Katalasen (CAT) entfernt werden. Anschließend wandeln zwei nachfolgende enzymatische Reaktionen 2-trans-Enoyl-CoA mithilfe multifunktionaler Proteine (MFP) in 3-Ketoacyl-CoA um. Die Funktion der Thiolasen besteht darin, das Substrat für die thiolytische Abspaltung einer Acetyl-CoA-Einheit zu katalysieren.

Abb. 1. Kernbestandteil des peroxisomalen β-Oxidationswegs, der für die Oxidation von Fettsäuren in Pflanzen erforderlich ist.
(Susan Arent, et al. 2008)

Katalytische Mechanismen

ACXs und ACADs katalysieren den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt in peroxisomalen β-Oxidationszyklen, wobei ein katalytischer Glutamatrest zur Einführung einer Doppelbindung α–β zum CoA-Thioester ihrer Substrate dient; die α–β-Dehydrierung von Acyl-CoA wurde entsprechend untersucht. ACXs bzw. ACADs übertragen die Elektronen auf FAD bzw. auf molekularen Sauerstoff, um die Substrate zu oxidieren. Jüngste kristallographische Untersuchungen von RnACX mit Fettsäure sowie von ACX4 haben die Struktur von HsVLC-ACAD aufgeklärt. Die Ergebnisse stützen nachdrücklich, dass die gesamte Superfamilie im ersten Reaktionsschritt denselben Mechanismus verwendet. Durch Absenkung des pK_a-Werts des α-Protons von Acyl-CoA kann die katalytische Base – über Wasserstoffbrücken zum Rückgrat-Stickstoff der katalytischen Base – das Substrat für die Deprotonierung aktivieren, während das Sauerstoffatom zwischen der katalytischen Base und FAD „eingeklemmt“ ist. FAD wird zum Kofaktor FADH reduziert und es entsteht das Produkt trans-2-Enoyl-CoA, während ein Proton auf die katalytische Base übertragen wird. Bei einigen bakteriellen ACADs ist die Lokalisation der katalytischen Base auf Helix G verlagert; Mutations- und kristallographische Studien zeigen jedoch, dass diese Änderung keine wesentlichen Auswirkungen auf die Katalyse und auf die Position der katalytischen Base relativ zum Flavin hat. Eine vergleichbare Besonderheit wird bei ACXs nicht beobachtet; bei allen scheint das katalytische Glutamat in der Schleife zwischen Helix J und K zu liegen. Während einige ACOX-Enzyme in C. elegans sowohl Fettsäure-Acyl-CoA-Substrate als auch Ascarosid-CoA-Substrate umsetzen, sind andere auf die Verarbeitung nur spezifischer Ascarosid-CoA-Substrate spezialisiert.

Struktur

ACXs umfassen etwa 650 Aminosäurereste; zwischen verschiedenen Spezies bestehen einige Unterschiede. Die Kristallstruktur von ACXs wurde in zahlreichen Spezies untersucht, darunter Reis, Ratte, Mensch, Arabidopsis, Sojabohne u. a. Viele strukturell verwandte Enzyme, die in den meisten Organismen vorkommen, zeigen, dass sie eine Doppelbindung zwischen der C2- und C3-Position von Fettsäure-CoA-Thioestern katalysieren können. ACXs sind Nebenprodukte während des ersten Schritts der Aktivierung der C3-Position für den nukleophilen Angriff, der für die nachfolgende thiolytische Degradation von Aminosäuren, Fettsäuren, Tryptophan und Lysin sowie für die Synthese von Polyketiden erforderlich ist. Die Gesamtstruktur von ACXs zeigt, dass sich die verschiedenen Typen in einigen Punkten unterscheiden, wobei jede Struktur aus mindestens drei Domänen besteht: einer helikalen N-terminalen Domäne, einer zentralen β-Faltblatt-Domäne und einer helikalen C-terminalen Domäne, die die ACAD-ähnliche Superfamilie definiert. In der Minimalstruktur bezieht sich die Bezeichnung der Superfamilie auf das mitochondriale Enzym von Säugetieren.

Substratspezifität

Die Acyl-CoA-Bindungstasche dimerer ACAD-ähnlicher Enzyme wird in den Kristallstrukturen von RnACX und HsVLC-ACAD mit Acylketten im aktiven Zentrum sichtbar. Die Substratspezifität von ACXs steht in einem gewissen Zusammenhang mit statischen Momentaufnahmen eines gemittelten dynamischen Proteinsystems, die wesentliche Informationen zu Substratinteraktionen liefern. In der lösungsmittelzugänglichen Acyl-Bindungstasche scheint es keine Begrenzung der Länge der Acylkette zu geben. Dies bedeutet, dass sich diese Enzyme eher zu einer Spezifität für längerkettige Substrate als für kurzkettige Substrate entwickelt haben, was gut mit den Fakten korreliert. Es bestehen jedoch weiterhin Unklarheiten, da dies nicht erklärt, warum ACX1-3 in Pflanzenarten keine einheitlichen Substratprofile aufweisen oder warum SC-CoAs schlechte Substrate sind. Die Unterschiede in Größe und Form der Acyl-Bindungstaschen von HsVLC-ACAD und AtACX1 sind in Abb. 2 dargestellt. Während der JA-CoA-Biosynthese spielt das pflanzliche ACX1 eine sehr wichtige Rolle. Der JA-CoA-Vorläufer OPC-8:0-CoA ist im Vergleich zu Acyl-CoA ein flaches, voluminöses Substrat und würde voraussichtlich eine geräumigere Bindungstasche als Acyl-Substrate erfordern. Die Tasche von AtACX1 ist tatsächlich geräumiger als die Bindungstasche von HsVLC-ACAD (8*12 Å gegenüber 8*8 Å Kanalbreite).

Abb. 2. Acyl-CoA-Bindungstaschen (Susan Arent, et al. 2008)

Literatur