إنزيم أسيتيل-CoA سينثيتاز

إنزيم أسيتيل-CoA سينثيتاز (ACS)، المعروف أيضًا باسم أسيتات-CoA ليغاز أو إنزيم تنشيط الأسيتيل، هو إنزيم ( EC 6.2.1.1 ) من فئة الليغاز ، وهو يحفز تكوين روابط كيميائية جديدة بين جزيئين. ولذلك، فهو يشارك في مجموعة واسعة من المسارات الكيميائية الحيوية في كل من الكائنات بدائية النواة وحقيقية النواة ، حيث تعتمد الأخيرة عليه كمسارها الوحيد لتنشيط الأسيتات . ^{[ 1 ]}

يتكون أسيتيل-CoA من جزيئين مرتبطين هما الأسيتات والإنزيم المساعد A (CoA). ويكون التفاعل الكامل، بما في ذلك جميع المواد المتفاعلة والناتجة، كما يلي:

ATP + أسيتات + CoA → AMP + بيروفوسفات + أسيتيل-CoA ^{[ 2 ]}

بمجرد تكوّن أسيتيل-CoA، يُمكن استخدامه في دورة حمض الستريك (دورة كريبس) في التنفس الهوائي لإنتاج الطاقة ونواقل الإلكترونات. هذه طريقة بديلة لبدء الدورة، إذ أن الطريقة الأكثر شيوعًا هي إنتاج أسيتيل-CoA من البيروفات عبر مُركّب نازعة هيدروجين البيروفات . يحدث نشاط الإنزيم في مصفوفة الميتوكوندريا ، بحيث تكون النواتج في المكان المناسب لاستخدامها في الخطوات الأيضية اللاحقة. ^{[ 3 ]} يُمكن أيضًا استخدام أسيتيل-CoA في تخليق الأحماض الدهنية ، ومن الوظائف الشائعة للإنزيم المُصنِّع إنتاج أسيتيل-CoA لهذا الغرض. ^{[ 4 ]}

يحدث التفاعل المحفز بواسطة إنزيم أسيتيل-CoA سينثيتاز على مرحلتين. أولًا، يجب أن يرتبط الإنزيم بجزيء AMP لإحداث تغيير في بنية الموقع النشط ، مما يسمح بحدوث التفاعل. يُشار إلى الموقع النشط باسم المجموعة A. ^{[ 5 ]} يجب أن يكون حمض الليسين ضروريًا في الموقع النشط لتحفيز التفاعل الأول حيث يرتبط CoA. ثم يدور CoA في الموقع النشط إلى الوضع الذي يسمح للأسيتات بالارتباط به تساهميًا. تتكون الرابطة التساهمية بين ذرة الكبريت في CoA وذرة الكربون المركزية في الأسيتات. ^{[ 6 ]}

يتم ترميز الشكل ACS1 من إنزيم أسيتيل-CoA سينثيتاز بواسطة الجين facA، والذي يتم تنشيطه بواسطة الأسيتات وتعطيله بواسطة الجلوكوز. ^{[ 7 ]}

يكشف التركيب ثلاثي الأبعاد لإنزيم ACS غير المتناظر (رقم تعريف RCSB PDB: 1PG3) أنه يتكون من وحدتين فرعيتين. تتألف كل وحدة فرعية بشكل أساسي من نطاقين. يتكون النطاق الطرفي N الأكبر من 517 حمضًا أمينيًا، بينما يتكون النطاق الطرفي C الأصغر من 130 حمضًا أمينيًا. ^{[ 8 ]} تحتوي كل وحدة فرعية على موقع نشط ترتبط به الروابط. تم تحديد التركيب البلوري لإنزيم ACS مع ارتباط مرافق الإنزيم A (CoA) وأدينوسين-5′-بروبيل فوسفات بالإنزيم. سبب استخدام أدينوسين-5′-بروبيل فوسفات هو أنه مثبط تنافسي للأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، مما يمنع أي تغييرات في بنية الإنزيم. تُحفظ حلقة الأدينين في AMP/ATP في جيب كاره للماء يتكون من الحمضين الأمينيين إيزولوسين (512) وتربتوفان (413). ^{[ 8 ]}

مصدر البنية المتبلورة هو الكائن الحي Salmonella typhimurium (السلالة LT2 / SGSC1412 / ATCC 700720). ثم نُقل جين ACS إلى بكتيريا Escherichia coli BL21(DE3) للتعبير عنه. أثناء عملية الفصل الكروماتوغرافي لعزل الإنزيم، انفصلت الوحدات الفرعية بشكل منفصل، وتم تحديد البنية الكلية بشكل مستقل. ^{[ 8 ]} استُخدمت طريقة حيود الأشعة السينية لتحديد البنية بدقة 2.3 أنغستروم. ترد قيم وحدة الخلية والزوايا في الجدول التالي:

يتمثل دور إنزيم ACS في دمج الأسيتات مع مرافق الإنزيم A لتكوين أسيتيل مرافق الإنزيم A، إلا أن أهميته تتجاوز ذلك بكثير. تتمثل الوظيفة الأكثر شهرة لناتج هذا التفاعل الإنزيمي في استخدام أسيتيل مرافق الإنزيم A في دورة حمض الستريك ، بالإضافة إلى إنتاج الأحماض الدهنية . يُعد هذا الإنزيم حيويًا لعملية أستلة الهيستونات وتنظيم الجينات. ^{[ 10 ]} يمتد تأثير هذه الأستلة إلى أبعد الحدود في الثدييات. فقد أظهرت الدراسات أن تثبيط جين acs في منطقة الحصين لدى الفئران يؤدي إلى انخفاض مستويات أستلة الهيستونات، ولكنه يُضعف أيضًا الذاكرة المكانية طويلة المدى لدى الحيوان. تشير هذه النتيجة إلى وجود صلة بين استقلاب الخلايا، وتنظيم الجينات، والوظائف الإدراكية. ^{[ 10 ]} وقد ثبت أن هذا الإنزيم يُعد مؤشرًا حيويًا هامًا لوجود الأورام في سرطانات القولون والمستقيم. عند وجود الجين، تستطيع الخلايا امتصاص الأسيتات كمصدر غذائي لتحويلها إلى أسيتيل-CoA في ظروف الإجهاد. في حالات أورام السرطان المتقدمة، انخفض التعبير عن جينات هذا الإنزيم، مما يشير إلى انخفاض معدل البقاء على قيد الحياة لمدة خمس سنوات . ^{[ 11 ]} كما رُبط التعبير عن هذا الإنزيم بتطور العقد اللمفاوية السرطانية المنتشرة، مما يؤدي إلى انخفاض معدل البقاء على قيد الحياة لدى مرضى سرطان الخلايا الكلوية. ^{[ 12 ]}

تُضبط فعالية الإنزيم بعدة طرق. يلعب حمض الليسين الأميني الأساسي في الموقع النشط دورًا هامًا في تنظيم هذه الفعالية. يمكن نزع مجموعة الأسيتيل من جزيء الليسين بواسطة فئة أخرى من الإنزيمات تُسمى السيرتوينات . في الثدييات، يُنشط إنزيم سينثيتاز السيتوبلازم-النووي (AceCS1) بواسطة السيرتوين 1 (SIRT1 ) ، بينما يُنشط إنزيم سينثيتاز الميتوكوندريا (AceCS2) بواسطة السيرتوين 3 (SIRT3 ) . يزيد هذا التفاعل من فعالية هذا الإنزيم. ^{[ 3 ]} يختلف الموقع الدقيق لحمض الليسين الأميني بين الأنواع، حيث يوجد عند الموقع Lys-642 في البشر، ولكنه موجود دائمًا في الموقع النشط للإنزيم. ^{[ 13 ]} نظرًا لوجود تغيير ألوستيري أساسي يحدث عند ارتباط جزيء AMP، فإن وجود AMP يُسهم في تنظيم الإنزيم. يجب أن يكون تركيز AMP مرتفعًا بما يكفي ليرتبط بموقع الارتباط الألوستيري ويسمح للركائز الأخرى بالدخول إلى الموقع النشط. كذلك، تُعطّل أيونات النحاس إنزيم أسيتيل-CoA سينثيتاز عن طريق شغل الموقع القريب من الموقع النشط لمجموعة A، مما يمنع الإنزيم من استقبال مجموعة ميثيل للمشاركة في مسار وود-ليونغدال. ^{[ 5 ]} كما أن وجود جميع المتفاعلات بالتركيز المناسب ضروريٌّ لعمل الإنزيم بشكل سليم، كما هو الحال في جميع الإنزيمات. يُنتَج إنزيم أسيتيل-CoA سينثيتاز أيضًا عند الحاجة إليه لتخليق الأحماض الدهنية ، ولكن في الظروف الطبيعية، يكون الجين غير نشط، ويحتوي على عوامل نسخ معينة تُنشّط عملية النسخ عند الضرورة. ^{[ 4 ]} بالإضافة إلى السيرتوينات، يمكن لبروتين ديأسيتيلاز (AcuC) أيضًا تعديل إنزيم أسيتيل-CoA سينثيتاز عند بقايا الليسين. مع ذلك، وعلى عكس السيرتوينات، لا يتطلب AcuC وجود NAD+ كركيزة مساعدة. ^{[ 14 ]}

على الرغم من أن نشاط إنزيم أسيتيل-CoA سينثيتاز يرتبط عادةً بالمسارات الأيضية، إلا أن هذا الإنزيم يشارك أيضًا في التعبير الجيني. ففي الخميرة، يقوم إنزيم أسيتيل-CoA سينثيتاز بنقل أسيتيل-CoA إلى إنزيمات أسيتيل ترانسفيراز الهيستون لأسيتلة الهيستون. وبدون الأسيتلة الصحيحة، لا يستطيع الحمض النووي DNA أن يتكثف إلى كروماتين بشكل سليم، مما يؤدي حتمًا إلى أخطاء في النسخ. ^{[ 15 ]}

من خلال الاستفادة من المسارات التي تستخدم أسيتيل-CoA كركيزة، يمكن الحصول على منتجات مُهندسة ذات إمكانات استهلاكية. ويمكن زيادة إنتاج الأحماض الدهنية عن طريق الإفراط في التعبير عن جين acs واستخدام الأسيتات كمادة أولية. ^{[ 16 ]} يُعد استخدام الأسيتات كمادة أولية غير شائع، لأنها ناتج ثانوي طبيعي لعملية التمثيل الغذائي في بكتيريا الإشريكية القولونية ، وتُصبح سامة للكائن الحي عند مستويات عالية. وبتكييف بكتيريا الإشريكية القولونية لاستخدام الأسيتات كمادة أولية، تمكنت هذه الكائنات الدقيقة من البقاء وإنتاج منتجاتها المُهندسة. ويمكن استخدام هذه الأحماض الدهنية كوقود حيوي بعد فصلها عن الوسط، مما يتطلب معالجة إضافية ( الأسترة التبادلية ) لإنتاج وقود الديزل الحيوي القابل للاستخدام. وقد طُور بروتوكول التكييف الأصلي لتحفيز امتصاص مستويات عالية من الأسيتات في عام 1959 كوسيلة لتحفيز آليات التجويع في بكتيريا الإشريكية القولونية . ^{[ 17 ]}

داخل الخلايا

${\displaystyle Acetate\Longrightarrow Acetyl-CoA}$

${\displaystyle أسيتيل-CoA\Longrightarrow الأحماض الدهنية}$

استُخدم أسيتيل-CoA الناتج عن تحلل السكريات في عملية التحلل السكري لبناء الأحماض الدهنية. إلا أن الاختلاف يكمن في قدرة سلالة كيسلينغ على تصنيع الإيثانول الخاص بها، ومعالجة الأحماض الدهنية ( عن طريق التبادل الإستري ) لإنتاج إسترات إيثيل الأحماض الدهنية المستقرة (FAEEs). وهذا يُغني عن الحاجة إلى مزيد من المعالجة قبل الحصول على منتج وقود قابل للاستخدام في محركات الديزل. ^{[ 18 ]}

${\displaystyle glucose\Longrightarrow Acetyl-CoA}$

يُستخدم أسيتيل-CoA في إنتاج كل من الإيثانول والأحماض الدهنية

${\displaystyle Acetyl-CoA\Longrightarrow fatty\;acid+ethanol}$