أسيتيل-CoA كاربوكسيلاز

إنزيم أسيتيل-CoA كاربوكسيلاز ( ACC ) هو إنزيم يعتمد على البيوتين ( EC 6.4.1.2 ) يحفز عملية الكربوكسيل غير العكوسة لأسيتيل- CoA لإنتاج مالونيل-CoA من خلال نشاطيه التحفيزيين: بيوتين كاربوكسيلاز (BC) وكاربوكسيل ترانسفيراز (CT). يُعد ACC إنزيمًا متعدد الوحدات الفرعية في معظم بدائيات النوى وفي البلاستيدات الخضراء لمعظم النباتات والطحالب، بينما هو إنزيم كبير متعدد المجالات في سيتوبلازم معظم حقيقيات النوى . تتمثل أهم وظائف ACC في توفير ركيزة مالونيل-CoA لتخليق الأحماض الدهنية . ^{[ 1 ]} يمكن التحكم في نشاط ACC على مستوى النسخ، وكذلك بواسطة جزيئات صغيرة معدلة وتعديل تساهمي . يحتوي الجينوم البشري على جينات لاثنين من أنواع ACC المختلفة ^{[ 2 ]} - ACACA ^{[ 3 ]} و ACACB . ^{[ 4 ]}

تحتوي بدائيات النوى والنباتات على إنزيمات ACC متعددة الوحدات الفرعية، تتكون من عدة عديدات ببتيد. يحتوي كل من نشاط كربوكسيلاز البيوتين (BC)، وبروتين حامل كربوكسيل البيوتين (BCCP)، ونشاط ناقل الكربوكسيل (CT) على وحدة فرعية مختلفة. تختلف نسبة هذه الوحدات الفرعية في إنزيم ACC الكامل بين الكائنات الحية. ^{[ 1 ]} طوّر الإنسان ومعظم حقيقيات النوى إنزيم ACC يحتوي على نطاقات تحفيزية لـ CT وBC، ونطاقات BCCP على عديد ببتيد واحد. كما تحتوي معظم النباتات على هذا الشكل المتجانس في السيتوبلازم. ^{[ 5 ]} المناطق الوظيفية لإنزيم ACC، بدءًا من الطرف الأميني (N) إلى الطرف الكربوكسيلي (C)، هي: كربوكسيلاز البيوتين (BC)، ورابط البيوتين (BB)، وناقل الكربوكسيل (CT)، ورابط ATP (AB). يقع AB داخل BC. يرتبط البيوتين تساهميًا عبر رابطة أميدية بالسلسلة الجانبية الطويلة لليسين الموجود في BB. بما أن BB يقع بين منطقتي BC و CT، فإن البيوتين يمكن أن ينتقل بسهولة إلى كلا الموقعين النشطين حيث يكون مطلوبًا.

في الثدييات التي يتم فيها التعبير عن شكلين متماثلين من ACC، يتمثل الاختلاف الهيكلي الرئيسي بين هذين الشكلين المتماثلين في الطرف الأميني الممتد لـ ACC2 الذي يحتوي على تسلسل استهداف الميتوكوندريا . ^{[ 1 ]}

تُشفَّر عديدات الببتيد المكونة لإنزيمات أسيتيل-CoA كربوكسيلاز متعددة الوحدات الفرعية في بدائيات النوى والنباتات بواسطة جينات مختلفة. ففي بكتيريا الإشريكية القولونية ، يُشفِّر الجين accA الوحدة الفرعية ألفا من إنزيم أسيتيل-CoA كربوكسيلاز، ^{[ 6 ]} بينما يُشفِّر الجين accD الوحدة الفرعية بيتا. ^{[ 7 ]}

تتم عملية تفاعل ACAC(A,B) الإجمالية عبر آلية من خطوتين. ^{[ 8 ]} يتم تنفيذ التفاعل الأول بواسطة BC ويتضمن كربوكسلة البيوتين المعتمدة على ATP مع استخدام البيكربونات كمصدر لثاني أكسيد الكربون _. في التفاعل الثاني، الذي يحفزه CT، تنتقل مجموعة الكربوكسيل من البيوتين إلى أسيتيل-CoA لتكوين مالونيل-CoA .

في الموقع النشط ، يحدث التفاعل بتفاعل مكثف بين بقايا الأحماض الأمينية Glu296 وArg338 وArg292 المشحونة إيجابًا مع الركائز. ^{[ 9 ]} يرتبط أيونا المغنيسيوم Mg2 ^{+ بمجموعات الفوسفات على} جزيء ATP ، وهما ضروريان لارتباط ATP بالإنزيم. يُنزع بروتون البيكربونات بواسطة Glu296، مع أن انتقال البروتون هذا غير مرجح في المحلول نظرًا لأن قيمة pKa للبيكربونات _تبلغ 10.3. يبدو أن الإنزيم يُعدّل قيمة pKa لتسهيل نزع بروتون البيكربونات. تنخفض قيمة pKa _{للبيكربونات} نتيجة تفاعلها مع السلاسل الجانبية المشحونة إيجابًا لـ Arg338 وArg292. علاوة على ذلك، يتفاعل Glu296 مع السلسلة الجانبية لـ Glu211، وهو تفاعل ثبت أنه يُسبب زيادة في قيمة pKa الظاهرية. بعد نزع بروتون البيكربونات، يعمل أكسجين البيكربونات ككاشف نيوكليوفيلي ويهاجم مجموعة الفوسفات غاما في جزيء ATP. يتحلل وسيط الكربوكسي فوسفات بسرعة إلى ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ وأيونات الفوسفات ( PO₄³⁻ ) . تقوم أيونات الفوسفات ( PO₄³⁻ ) بنزع بروتون البيوتين، مُكَوِّنةً إينولات، مُثَبَّتة بواسطة الحمض الأميني أرجينين 338، والتي بدورها تهاجم ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ مُنتجةً كاربوكسي بيوتين. ^{[ 9 ]} ينتقل الكاربوكسي بيوتين إلى الموقع النشط لإنزيم ناقل الكربوكسيل (CT)، حيث تُنقل مجموعة الكربوكسيل إلى أسيتيل-CoA. على عكس نطاق BC، لا يُعرف الكثير عن آلية تفاعل إنزيم ناقل الكربوكسيل (CT). إحدى الآليات المقترحة هي إطلاق ثاني أكسيد الكربون (CO₂) _من البيوتين، والذي بدوره ينتزع بروتونًا من مجموعة الميثيل في إنزيم أسيتيل-CoA كربوكسيلاز. يهاجم الإينولات الناتج ثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ لتكوين مالونيل-CoA. وفي آلية منافسة، يتم انتزاع البروتون بالتزامن مع هجوم أسيتيل-CoA.

تتمثل وظيفة إنزيم أسيتيل-CoA كربوكسيلاز (ACC) في تنظيم استقلاب الأحماض الدهنية. فعندما يكون الإنزيم نشطًا، يُنتج مالونيل-CoA، وهو لبنة أساسية لتكوين أحماض دهنية جديدة، ويمكنه تثبيط نقل مجموعة الأسيل الدهنية من أسيل-CoA إلى الكارنيتين بواسطة إنزيم كارنيتين أسيل ترانسفيراز ، مما يثبط أكسدة بيتا للأحماض الدهنية في الميتوكوندريا .

في الثدييات ، يُعبَّر عن شكلين رئيسيين من إنزيم أسيتيل-CoA كربوكسيلاز (ACC)، وهما ACC1 وACC2، ويختلفان في كلٍّ من التوزيع النسيجي والوظيفة. يوجد ACC1 في سيتوبلازم جميع الخلايا ، ولكنه يتركز في الأنسجة المولدة للدهون، مثل الأنسجة الدهنية والغدد الثديية المُرضعة ، حيث يُعدّ تخليق الأحماض الدهنية أمرًا بالغ الأهمية. ^{[ 10 ]} في الأنسجة المؤكسدة، مثل العضلات الهيكلية والقلب ، تكون نسبة التعبير عن ACC2 أعلى. يُعبَّر عن كلٍّ من ACC1 وACC2 بكثافة في الكبد، حيث يُعدّ كلٌّ من أكسدة الأحماض الدهنية وتخليقها أمرًا بالغ الأهمية. ^{[ 11 ]} تشير الاختلافات في التوزيع النسيجي إلى أن ACC1 يُحافظ على تنظيم تخليق الأحماض الدهنية، بينما يُنظِّم ACC2 بشكل أساسي أكسدة الأحماض الدهنية (أكسدة بيتا).

يلعب أحد نظائر الميتوكوندريا من ACC1 (mtACC1) دورًا متداخلًا جزئيًا في تخليق حمض الليبويك ، وبالتالي في إضافة الليبويل إلى البروتين، وذلك من خلال توفير مالونيل-CoA لتخليق الأحماض الدهنية في الميتوكوندريا (mtFAS) بالتزامن مع ACSF3 . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

إن تنظيم إنزيم أسيتيل-CoA كربوكسيلاز (ACC) لدى الثدييات أمر معقد، وذلك للتحكم في مجموعتين متميزتين من مالونيل-CoA اللتين توجهان إما تثبيط أكسدة بيتا أو تنشيط التخليق الحيوي للدهون. ^{[ 14 ]}

يتم تنظيم التعبير الجيني لـ ACC1 و ACC2 في الثدييات عبر عدة محفزات ، والتي بدورها تُحدد وفرة ACC استجابةً للحالة التغذوية للخلايا. يؤدي تنشيط التعبير الجيني عبر محفزات مختلفة إلى التضفير البديل ؛ ومع ذلك، لا تزال الأهمية الفسيولوجية لنظائر ACC المحددة غير واضحة. ^{[ 11 ]} تنجم الحساسية للحالة التغذوية عن تحكم عوامل النسخ ، مثل البروتين الرابط لعنصر تنظيم الستيرول 1 (1) ، الذي يتحكم فيه الأنسولين على مستوى النسخ، و ChREBP ، الذي يزداد تعبيره مع الأنظمة الغذائية الغنية بالكربوهيدرات ، في هذه المحفزات . ^{[ 15 ] [ 16 ]}

ينشط السترات إنزيم أسيتيل-CoA كربوكسيلاز (ACC) بشكل غير مباشر عبر حلقة تغذية أمامية . ^{[ 17 ]} قد يزيد السترات من بلمرة ACC لزيادة نشاطه الإنزيمي؛ ومع ذلك، فإنه من غير الواضح ما إذا كانت البلمرة هي الآلية الرئيسية للسترات لزيادة نشاط ACC أم أنها مجرد نتيجة ثانوية للتجارب المخبرية. تشمل المنشطات غير المباشرة الأخرى الغلوتامات وأحماض ثنائية الكربوكسيل أخرى . ^{[ 18 ]} تُعد أحماض أسيل-CoA الدهنية، طويلة وقصيرة السلسلة، مثبطات سلبية لـ ACC. ^{[ 19 ]} أحد هذه المعدلات غير المباشرة السلبية هو بالميتويل-CoA . ^{[ 20 ]}

قد تحدث الفسفرة عند ارتباط هرموني الجلوكاجون ^{[ 21 ]} أو الإبينفرين ^{[ 22 ]} بمستقبلات سطح الخلية ، ولكن السبب الرئيسي للفسفرة هو ارتفاع مستويات الأدينوزين أحادي الفوسفات (AMP) عندما يكون مستوى طاقة الخلية منخفضًا، مما يؤدي إلى تنشيط بروتين كيناز المنشط بالأدينوزين أحادي الفوسفات (AMPK). يُعد AMPK منظم الكيناز الرئيسي لإنزيم أسيتيل-CoA كربوكسيلاز (ACC)، وهو قادر على فسفرة عدد من بقايا السيرين في كلا شكلي ACC. ^{[ 23 ]} في ACC1، يُفسفر AMPK السيرين 79، والسيرين 1200، والسيرين 1215. كما يمتلك بروتين كيناز A القدرة على فسفرة ACC، مع قدرة أكبر بكثير على فسفرة ACC2 مقارنةً بـ ACC1. قد يعمل السيرين 80 والسيرين 1263 في ACC1 أيضًا كموقع للفسفرة كآلية تنظيمية. ^{[ 24 ]} مع ذلك، فإن الأهمية الفيزيولوجية لبروتين كيناز A في تنظيم ACC غير معروفة حاليًا. يفترض الباحثون وجود كينازات أخرى لـ ACC مهمة لتنظيمه، نظرًا لوجود العديد من مواقع الفسفرة المحتملة الأخرى على ACC. ^{[ 25 ]}

عندما يرتبط الأنسولين بمستقبلاته على غشاء الخلية ، فإنه يُنشّط إنزيم فوسفاتاز يُسمى فوسفاتاز البروتين 2A (PP2A) لإزالة الفوسفات من الإنزيم، وبالتالي إزالة تأثيره المثبط. علاوة على ذلك، يُحفّز الأنسولين إنزيم فوسفودايستراز الذي يُخفّض مستوى cAMP في الخلية، مما يُثبّط PKA، كما يُثبّط AMPK بشكل مباشر.

قد يستخدم هذا البروتين نموذج المورفين للتنظيم التآزري . ^{[ 26 ]}

يمثل إنزيم أسيتيل-CoA كربوكسيلاز (ACC) نقطة التقاء مسارات تخليق الدهون وأكسدتها، مما يتيح العديد من الإمكانيات السريرية لإنتاج مضادات حيوية جديدة وتطوير علاجات مبتكرة لداء السكري والسمنة وغيرها من مظاهر متلازمة التمثيل الغذائي . ^{[ 27 ]} ويسعى الباحثون إلى الاستفادة من الاختلافات البنيوية بين إنزيمات ACC البكتيرية والبشرية لإنتاج مضادات حيوية تستهدف إنزيم ACC البكتيري تحديدًا، وذلك في محاولة لتقليل الآثار الجانبية على المرضى. ومن النتائج الواعدة لفعالية مثبطات إنزيم ACC، اكتشاف أن الفئران التي لا تُظهر تعبيرًا عن إنزيم ACC2 تتمتع بأكسدة مستمرة للأحماض الدهنية، وانخفاض في كتلة الدهون في الجسم، وانخفاض في وزن الجسم على الرغم من زيادة استهلاكها للطعام. كما أن هذه الفئران محمية من داء السكري. ^{[ 14 ]} ويُعد نقص إنزيم ACC1 في الفئران الطافرة مميتًا حتى في المرحلة الجنينية. ومع ذلك، فإنه من غير المعروف ما إذا كانت الأدوية التي تستهدف إنزيمات ACC في البشر يجب أن تكون خاصة بإنزيم ACC2. ^{[ 28 ]}

فيرسوكوستات (المعروف سابقًا باسم GS-976، ND-630، NDI-010976) هو مثبط قوي لإنزيم أسيتيل-CoA كربوكسيلاز (ACC) يعمل على نطاق BC الخاص به. ^{[ 29 ]} يخضع فيرسوكوستات حاليًا للتطوير في عام 2019 (المرحلة الثانية) ^{[ 30 ]} من قبل شركة الأدوية جيليد كجزء من علاج مركب لالتهاب الكبد الدهني غير الكحولي (NASH)، والذي يُعتقد أنه سبب متزايد لفشل الكبد. ^{[ 31 ]}

بالإضافة إلى ذلك، فإن مثبطات ACC الانتقائية للنباتات تستخدم على نطاق واسع كمبيدات للأعشاب ، ^{[ 32 ]} مما يشير إلى التطبيق السريري ضد طفيليات Apicomplexa التي تعتمد على شكل متماثل من ACC مشتق من النبات، ^{[ 33 ]} بما في ذلك الملاريا .

تُستخدم مثبطات ACC في المجموعة 23 من IRAC كمبيدات حشرية / مبيدات للقراد . ^{[ 34 ]}

يُعتقد أن الأنماط الظاهرية السريرية غير المتجانسة لمرض التمثيل الغذائي المسمى بيلة حمض المالونيك وحمض الميثيل مالونيك (CMAMMA) الناتج عن نقص ACSF3 ، تنتج عن تعويض جزئي من قبل نظير ميتوكوندري من ACC1 (mtACC1) لنقص ACSF3 في تخليق الأحماض الدهنية الميتوكوندرية (mtFAS). ^{[ 35 ]}

• مبيدات الأعشاب المثبطة لإنزيم أسيتيل كو-أ كربوكسيلاز
• مالونيل-CoA ديكاربوكسيلاز