Acyl-CoA-Oxidase

Fettsäure-Beta-Oxidation bildet das 2-trans-Enoyl-CoA. Acyl-CoA-Oxidasen (ACXs) in Peroxisomen und Acyl-CoA-Dehydrogenasen (ACADs) in Mitochondrien katalysieren den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt, der in Abb. 1 gezeigt wird. Die Fettsäuren werden zunächst durch Thioesterifizierung durch Acyl-CoA-Synthetasen (ACS) aktiviert. ACXs interagieren mit dem FAD-Kofaktor, um molekularen Sauerstoff zu reduzieren, um das Acyl-Thioester in 2-trans-Enoyl-CoA umzuwandeln. In der peroxisomalen Matrix kann das aus dem Prozess erzeugte H₂O₂ durch Katalasen (CAT) entfernt werden. Dann wandeln zwei nachfolgende enzymatische Reaktionen 2-trans-Enoyl-CoA mit Hilfe von multifunktionalen Proteinen (MFP) in 3-Ketoacyl-CoA um. Die Rolle der Thiolasen besteht darin, das Substrat für die thiolytische Abspaltung einer Acetyl-CoA-Einheit zu katalysieren.

Abb. 1. Der Kern 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, indem sie ein katalytisches Glutamat-Rest verwenden, um eine Doppelbindung α-β zum CoA-Thioester ihrer Substrate einzuführen, und Forscher haben die α-β-Dehydrierung von Acyl-CoA untersucht. ACXs und ACADs geben die Elektronen an FAD und molekularen Sauerstoff weiter, um die Substrate zu oxidieren. Neueste Studien zur RnACX-Kristallographie mit Fettsäuren und ACX4 haben die Struktur von HsVLC-ACAD enthüllt. Die Ergebnisse unterstützen stark, dass die gesamte Superfamilie im ersten Schritt denselben Mechanismus verwendet. Durch die Reduzierung des pKa des Acyl-CoA-α-Protons bildet die katalytische Base Wasserstoffbrücken mit dem Rückgratstickstoff der katalytischen Base, was das Substrat für die Deprotonierung aktivieren kann, während das Sauerstoffatom zwischen der katalytischen Base und dem FAD eingeklemmt ist. FAD reduziert den Kofaktor zu FADH und produziert das trans-2-Enoyl-CoA-Produkt, während Protonen zur katalytischen Base übertragen werden. Einige bakterielle ACADs haben die Lokalisierung der katalytischen Base zu Helix G vertauscht, aber mutationale und kristallographische Studien zeigen, dass diese Änderung keinen wesentlichen Einfluss auf die Katalyse und auf die Position der katalytischen Base relativ zu Flavin hat. Eine ähnliche Eigenart wird bei ACXs nicht beobachtet, die alle anscheinend das katalytische Glutamat in der Schleife zwischen Helix J und K haben. Obwohl einige der ACOX-Enzyme in C. elegans sowohl Fettsäure-Acyl-CoA-Substrate als auch Ascarosid-CoA-Substrate verarbeiten, sind andere spezialisiert auf die Verarbeitung nur spezifischer Ascarosid-CoA-Substrate.

Struktur

ACXs enthalten etwa 650 Aminosäurereste, und es gibt einige Unterschiede zwischen verschiedenen Arten. Die Kristallstruktur von ACXs wurde in vielen Arten untersucht, darunter Reis, Ratte, Mensch, Arabidopsis, Sojabohne usw. 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 die zufälligen Produkte während des ersten Schrittes zur Aktivierung der C3-Position für den nucleophilen Angriff, der für den anschließenden thiolytischen Abbau von Aminosäuren, Fettsäuren, Tryptophan und Lysin sowie für die Synthese von Polyketiden erforderlich ist. Die Gesamtstruktur von ACXs zeigt, dass verschiedene Typen einige Unterschiede aufweisen, während 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 minimalen Struktur bezieht sich der Name der Superfamilie auf das mitochondriale Enzym von Säugetieren.

Substratspezifität

Die Acyl-CoA-bindende Tasche dimerer ACAD-ähnlicher Enzyme wird in den Kristallstrukturen von RnACX und HsVLC-ACAD mit Acylketten im aktiven Zentrum visualisiert. Die Substratspezifität von ACXs hat eine gewisse Beziehung zu den statischen Schnappschüssen eines durchschnittlichen dynamischen Proteinsystems, die wesentliche Informationen über Substratinteraktionen liefern. In der lösungsmittelzugänglichen Acyl-bindenden Tasche scheint es keine Begrenzung für die Länge der Acylkette zu geben. Das bedeutet, dass sich diese Enzyme entwickelt haben, um spezifisch für die längeren Kettensubstrate und nicht für die kleineren Kettensubstrate zu sein, und diese Vorstellung korreliert gut mit der Tatsache. Aber es gibt immer noch einige Verwirrung, da es nicht erklärt, warum ACX1-3 in Pflanzenarten keine einheitlichen Substratprofile haben oder warum SC-CoAs schlechte Substrate sind. Die Größe und Form der Acyl-bindenden Tasche von HsVLC-ACAD und AtACX1 variiert, wie in Abb. 2 zu sehen ist. Während der JA-CoA-Biosynthese spielt das Pflanzen-ACX1 eine sehr wichtige Rolle. Der JA-CoA-Vorläufer OPC-8:0-CoA ist ein flacher, voluminöser Substrat im Vergleich zu Acyl-CoA und würde voraussichtlich eine geräumigere Bindungstasche als Acyl-Substrate erfordern. Die Tasche von AtACX1 ist in der Tat geräumiger als die Bindungstasche von HsVLC-ACAD (8*12 Å gegenüber 8*8 Å Breite des Kanals).

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

Literaturverzeichnis