إنزيم كيتواسيل سينثاز

إنزيم مُركِّب الأحماض الدهنية (FAS) هو النظام الإنزيمي المسؤول عن تخليق الأحماض الدهنية من الصفر. يتكون هذا النظام من عدة إنزيمات مُتعددة، أحدها مُركِّب كيتواسيل. يوجد نوعان من إنزيمات مُركِّب الأحماض الدهنية: النوع الأول والنوع الثاني. النوع الأول عبارة عن إنزيمات مُتكاملة للغاية ومتعددة المجالات، تحتوي على مجالات وظيفية مُنفصلة مسؤولة عن أنشطة تحفيزية مُحددة في سلسلة التفاعلات، إما على سلسلة ببتيدية واحدة أو على بروتينين مُتعددي الوظائف. أما النوع الثاني فهو نظام مُنفصل، أي أن الإنزيمات المُكوِّنة له عبارة عن بروتينات مُستقلة مُشفَّرة بواسطة سلسلة من الجينات المُنفصلة. ^{[ 2 ]}

ترتبط إنزيمات بولي كيتيد سينثاز (PKS) من الناحية الهيكلية والوظيفية بإنزيمات FAS، وكلاهما عبارة عن إنزيمات تحفز تكثيف المستقلبات الأولية المنشطة مثل أسيتيل-CoA ومالونيل-CoA.

التفاعل الرئيسي الذي يحفزونه هو: ^{[ 3 ]}

CO ₂ -CH ₂ -CO-S-CoA + CH ₃ -CO-S-PKS → CH ₃ -CO-CH ₂ -CO-S-PKS + CoA-H + CO ₂

على غرار إنزيمات تخليق الأحماض الدهنية (FASs)، تستخدم إنزيمات تخليق متعدد الكيسات (PKSs) إنزيم بيتا-كيتوأسيل سينثاز (KS)، وإنزيم أسيل ترانسفيراز (MAT/AT) اختياري (مالونيل)، وبروتين حامل أسيل مُفَسْفَر بانتثينيل (ACP) أو مرافق الإنزيم أ (CoA). كما تستخدم كلتاهما إنزيم كيتوريدوكتاز، وإنزيم ديهايدراتاز، وإنزيم إينويل ريدوكتاز لتكوين هيكل أسيل مشبع بالكامل. مع ذلك، وعلى عكس إنزيمات تخليق الأحماض الدهنية، تستخدم إنزيمات تخليق متعدد الكيسات عادةً عددًا أكبر من وحدات البناء الحيوية وتُشكّل عددًا أكبر من أطوال السلاسل الجانبية. كما أن خطوات الاختزال التي تستخدمها إنزيمات تخليق الأحماض الدهنية اختيارية أيضًا بالنسبة لإنزيمات تخليق متعدد الكيسات. ومن خلال إمكانية حذفها، يُمكن الحصول على نمط وظيفي أكثر تعقيدًا. ^{[ 4 ]}

توجد ثلاثة أنواع رئيسية من متعددات الكيتيد: النوع الأول، والنوع الثاني، والنوع الثالث. يشبه النوع الأول إلى حد كبير النوع الأول من إنزيمات تخليق الأحماض الدهنية (FAS)، حيث يحتوي على نطاقات تحفيزية متراصة خطيًا ومتصلة تساهميًا ضمن إنزيمات كبيرة متعددة الوظائف. أما النوع الثاني، فيميل إلى أن يكون مركبًا أكثر قابلية للتفكك، ويحتوي على نطاقات إنزيمية أحادية الوظيفة. ومن أوجه الاختلاف الأخرى بين متعددات الكيتيد وجود نوع ثالث، وهو النوع الثالث. تتميز متعددات الكيتيد من النوع الثالث بتعدد وظائفها، بدءًا من اختيار الوحدة الأولية، مرورًا بتجميع السلسلة، وصولًا إلى تعزيز عملية الطي. ^{[ 4 ]}

التفاعل المميز لإنزيم β-ketoacyl-ACP synthase III هو: مالونيل-ACP + أسيتيل-CoA => أسيتوأسيل-ACP + CO₂ ₊ CoA. يشكل السيستين والهيستيدين والأسباراجين الثالوث التحفيزي في KAS III، والذي يستخدم آلية حركية بينغ بونغ. ^{[ 1 ]}

في بكتيريا الإشريكية القولونية ، وهي الكائن الحي الذي يوجد فيه إنزيم KAS III عادةً، يُثبَّط هذا الإنزيم بشكل ضعيف بواسطة الثيولاكتوميسين. ^{[ 6 ]} في نفس الكائن الحي، يكون الرقم الهيدروجيني الأمثل لإنزيم KAS III هو 7، ودرجة الحرارة المثلى له تتراوح بين 30 و37  درجة مئوية. ^{[ 7 ]} تختلف مثبطات الإنزيم، والرقم الهيدروجيني الأمثل، ودرجة الحرارة المثلى لكل كائن حي اختلافًا طفيفًا. ومع ذلك، تُعد هذه القيم مؤشرًا جيدًا على البيئة المثالية للإنزيم بشكل عام.

يشارك إنزيم 3-كيتواسيل-CoA سينثاز I في نبات رشاد أذن الفأر (Arabidopsis thaliana) في تخليق الأحماض الدهنية طويلة السلسلة جدًا، والتي تلعب دورًا في التخليق الحيوي للشمع. ^{[ 8 ]} يحفز هذا الإنزيم التفاعل التالي:

أسيل-CoA ذو السلسلة الطويلة جدًا + مالونيل-CoA ⇒ 3-أوكسوأسيل-CoA ذو السلسلة الطويلة جدًا + CoA + _CO2 ^{[ 9 ]}

هو إنزيم إطالة يبدو أنه يشارك في إنتاج الأحماض الدهنية طويلة السلسلة جدًا التي تحتوي على 26 ذرة كربون أو أكثر. ^{[ 10 ]} يُعد كل من ميفلويديد وبيرفلويدون مثبطات انتقائية لهذا الإنزيم. ^{[ 11 ]}

يشارك إنزيم 3-كيتواسيل-ACP سينثاز I ( EC 2.3.1.41 ) في عملية إطالة السلسلة في نظام تخليق الأحماض الدهنية من النوع الثاني. ويؤدي غياب هذا الإنزيم إلى نقص في الأحماض الدهنية غير المشبعة. يستخدم هذا الإنزيم ثيوإسترات الأحماض الدهنية لـ ACP و CoA كركائز، ويتميز بتخصص قريب من تخصص إنزيم بيتا-كيتواسيل-ACP سينثاز II. ^{[ 12 ]}

عادةً ما يتم استخدام هذا الإنزيم في تفاعلات التكثيف، وكذلك إزالة الكربوكسيل ونقل مجموعة الأسيل.

يحدث التفاعل على النحو التالي:

أسيل-[بروتين حامل الأسيل] + مالونيل-[بروتين حامل الأسيل] → 3-أوكسوأسيل-[بروتين حامل الأسيل] + ثاني أكسيد الكربون + [بروتين حامل الأسيل]

في بكتيريا الإشريكية القولونية ، على سبيل المثال، يُستخدم هذا الإنزيم لبناء سلاسل الأحماض الدهنية من خلال تفاعل تكثيف كلايسن ثلاثي المراحل. يبدأ التفاعل بتفاعل أسترة ثيوية عابرة لركيزة الأسيل الأولية. ثم تُزال مجموعة الكربوكسيل من الركيزة المانحة، مُكَوِّنةً وسيطًا من الكربانيون، والذي يهاجم ذرة الكربون رقم 1 في ركيزة الأسيل الأولية، مُكَوِّنًا سلسلة الأسيل المُطوَّلة. ^{[ 13 ]}

توجد عدة جزيئات معروفة بتثبيطها لإنزيم سينثاز I. على سبيل المثال، في بعض الحالات، يُثبط أسيل-CoA نفسه هذا الإنزيم بتركيزات عالية في بكتيريا الإشريكية القولونية. ومن المعروف أن سيرولينين يُثبط سينثاز I في نباتات القرطم الصبغي ، والسبانخ ، واللفت ، والبصل، والمكورات الرئوية ، والإشريكية القولونية ، والمتفطرة السلية ، وغيرها الكثير. في المتفطرة السلية ، يُعد بالميتويل-CoA مُثبطًا، وكذلك ثيولاكتوميسين في عدد من الكائنات الحية. ^{[ 12 ]}

يختلف نطاق الرقم الهيدروجيني الأمثل اختلافًا كبيرًا من كائن حي إلى آخر، ولكنه يميل عمومًا إلى أن يكون بين 5.5 و 8.5. درجة الحرارة المثلى هي نفسها، حيث تقع 20  درجة مئوية في أحد طرفي الطيف، ولكن 37  درجة مئوية في الطرف الآخر.

يُشارك إنزيم 3-كيتواسيل-ACP سينثاز II ^{[ 14 ]} في عملية تخليق الأحماض الدهنية من النوع الثاني الموجودة في النباتات والبكتيريا. وعلى الرغم من تشابهه الكبير مع إنزيم بيتا-كيتواسيل-ACP سينثاز I، إلا أن هناك اختلافًا طفيفًا بينهما. يتمثل أحد الاختلافات الرئيسية في قدرة سينثاز II على استخدام بالميتوليويل-ACP كركيزة بسهولة، بينما لا يستطيع سينثاز I ذلك. وهذا يسمح بالتحكم في تنظيم تركيب الأحماض الدهنية تبعًا لدرجة الحرارة. ^{[ 15 ]}

يحدث التفاعل على النحو التالي:

( Z )-هيكساديك-11-إينويل-[بروتين حامل الأسيل] + مالونيل-[بروتين حامل الأسيل] → ( Z )-3-أوكسوأوكتاديك-13-إينويل-[بروتين حامل الأسيل] + CO₂ ₊ [بروتين حامل الأسيل]

في بكتيريا المكورات الرئوية ، على سبيل المثال، يُستخدم إنزيم سينثاز II كإنزيم تكثيف استطالة. يحتوي هذا الإنزيم على ثلاثي حفزي من السيستين 134، والهيستيدين 337، والهيستيدين 303، بالإضافة إلى فينيل ألانين 396 وجزيء ماء مرتبط بالموقع النشط. يُعد السيستين المحب للنواة ضروريًا لتكوين إنزيم الأسيل، ويُستخدم في نشاط التكثيف الكلي. كما يُستخدم الهيستيدين 337 في نشاط التكثيف، وتحديدًا في تثبيت الشحنة السالبة على مجموعة الكربونيل في ثيوإستر المالونيل في الحالة الانتقالية. يُستخدم الهيستيدين 303 لتسريع التحفيز عن طريق نزع بروتون جزيء الماء للسماح بهجوم محب للنواة على المالونات، وبالتالي إطلاق البيكربونات. يعمل فينيل ألانين 396 كبوابة تتحكم في ترتيب إضافة الركيزة. ^{[ 16 ]}

توجد عدة جزيئات معروفة بتثبيط هذا الإنزيم. على سبيل المثال، يثبط السيرولينين إنزيم سينثاز II في السبانخ (Spinacia oleracea) ، والثوم (Allium ampelprasum) ، والإشريكية القولونية (Escherichia coli )، والمكورات الرئوية (Streptococcus pneumoniae ). وفي الإشريكية القولونية ، تُعرف أيضًا مثبطات أخرى مثل البلاتينسيميسين، والثيولاكتوميسين، واليودوأسيتاميد. ^{[ 15 ]}

يختلف نطاق الرقم الهيدروجيني الأمثل باختلاف الكائن الحي. ففي بكتيريا الإشريكية القولونية ، يتراوح بين 5.5 و6.1، وفي بكتيريا المكورات الرئوية بين 6.8 و7، وفي بلازموديوم فالسيباروم 7.5، وفي السبانخ بين 8.1 و8.5. أما درجة الحرارة المثلى فتختلف، ولكنها تبقى في الغالب ضمن نطاق 30-37  درجة مئوية. ^{[ 15 ]}

إنزيم سينثاز الكالكون ( EC 2.3.1.74 )، المعروف أيضًا باسم سينثاز نارينجينين-كالكون، هو المسؤول عن التفاعل:

3 مالونيل-CoA + 4-كومارويل-CoA → 4 CoA + شالكون نارينجينين + 3 CO ₂

في نبات البرسيم الحجازي (Medicago sativa) ، على سبيل المثال، يحدث التفاعل على مدار خطوة التحميل، وخطوة إزالة الكربوكسيل، وأخيراً خطوة الاستطالة. ^{[ 17 ]}

هناك عدد من المثبطات تشمل السيرولينين في سينابيس ألبا، وداوكوس كاروتا ، وفاسيولوس فولغاريس ، وأبيجينين في سيكالي الحبوب وأفينا ساتيفا ، وإيريوديكتيول في ديكال الحبوب، وداوكوس كاروتا ، وزانثيسما جراسيل. ^{[ 17 ]}

يختلف الرقم الهيدروجيني الأمثل الذي يمكن أن يعمل عنده هذا الإنزيم بين الكائنات الحية، ولكنه عادة ما يقع بين 6 و 8. وينطبق الشيء نفسه على درجة الحرارة المثلى التي تتراوح بين 30 و 45  درجة مئوية. ^{[ 17 ]}