Acetil-CoA carboxilasa

La acetil-CoA carboxilasa ( ACC ) es una enzima dependiente de biotina ( EC 6.4.1.2 ) que cataliza la carboxilación irreversible de acetil-CoA para producir malonil-CoA a través de sus dos actividades catalíticas: biotina carboxilasa (BC) y carboxiltransferasa (CT). La ACC es una enzima multisubunitaria en la mayoría de los procariotas y en los cloroplastos de la mayoría de las plantas y algas, mientras que es una enzima grande y multidominio en el citoplasma de la mayoría de los eucariotas . La función más importante de la ACC es proporcionar el sustrato malonil-CoA para la biosíntesis de ácidos grasos . ^{[ 1 ]} La actividad de la ACC puede controlarse a nivel transcripcional, así como mediante moduladores de moléculas pequeñas y modificación covalente . El genoma humano contiene los genes para dos ACC diferentes ^{[ 2 ]} : ACACA ^{[ 3 ]} y ACACB . ^{[ 4 ]}

Los procariotas y las plantas tienen ACC multisubunidades compuestas por varios polipéptidos. La actividad de biotina carboxilasa (BC), la proteína transportadora de carboxilo de biotina (BCCP) y la actividad de carboxiltransferasa (CT) se encuentran cada una en una subunidad diferente. La estequiometría de estas subunidades en la holoenzima ACC difiere entre organismos. ^{[ 1 ]} Los humanos y la mayoría de los eucariotas han desarrollado una ACC con dominios catalíticos CT y BC y dominios BCCP en un solo polipéptido. La mayoría de las plantas también tienen esta forma homomérica en el citosol. ^{[ 5 ]} Las regiones funcionales de la ACC, comenzando desde el extremo N-terminal hasta el extremo C-terminal, son la biotina carboxilasa (BC), la unión a biotina (BB), la carboxiltransferasa (CT) y la unión a ATP (AB). AB se encuentra dentro de BC. La biotina se une covalentemente a través de un enlace amida a la cadena lateral larga de un residuo de lisina en BB. Dado que la región BB se encuentra entre las regiones BC y CT, la biotina puede translocarse fácilmente a ambos sitios activos donde se requiere.

En los mamíferos donde se expresan dos isoformas de ACC, la principal diferencia estructural entre estas isoformas es el extremo N-terminal extendido de ACC2 que contiene una secuencia de direccionamiento mitocondrial . ^{[ 1 ]}

Los polipéptidos que componen las ACC multisubunitarias de procariotas y plantas están codificados por genes distintos. En Escherichia coli , accA codifica la subunidad alfa de la acetil-CoA carboxilasa, ^{[ 6 ]} y accD codifica su subunidad beta. ^{[ 7 ]}

La reacción global de ACAC(A,B) se produce mediante un mecanismo de dos pasos. ^{[ 8 ]} La primera reacción es llevada a cabo por BC e implica la carboxilación de biotina dependiente de ATP con bicarbonato como fuente de CO ₂ . El grupo carboxilo se transfiere de la biotina al acetil-CoA para formar malonil-CoA en la segunda reacción, que es catalizada por CT.

En el sitio activo , la reacción procede con una interacción extensa de los residuos Glu296 y Arg338 y Arg292 con carga positiva con los sustratos. ^{[ 9 ]} Dos Mg ²⁺ están coordinados por los grupos fosfato del ATP y son necesarios para la unión del ATP a la enzima. El bicarbonato es desprotonado por Glu296, aunque en solución, esta transferencia de protón es improbable ya que el pKa del _bicarbonato es 10,3. La enzima aparentemente manipula el pKa para facilitar la desprotonación del bicarbonato. El pKa del _bicarbonato disminuye por su interacción con las cadenas laterales con carga positiva de Arg338 y Arg292. Además, Glu296 interactúa con la cadena lateral de Glu211, una interacción que se ha demostrado que causa un aumento en el pKa aparente. Después de la desprotonación del bicarbonato, el oxígeno del bicarbonato actúa como nucleófilo y ataca el fosfato gamma del ATP. El intermedio carboxifosfato se descompone rápidamente en CO₂ _y PO₃⁻₄ . El PO₃⁻₄ desprotona la biotina, creando un enolato, estabilizado por Arg338, que posteriormente ataca al CO₂ dando _como resultado la producción de carboxibiotina. ^{[ 9 ]} La carboxibiotina se transloca al sitio activo de la carboxiltransferasa (CT), donde el grupo carboxilo se transfiere al acetil-CoA. A diferencia del dominio BC, se sabe poco sobre el mecanismo de reacción de la CT. Un mecanismo propuesto es la liberación de CO₂ _de la biotina, que posteriormente abstrae un protón del grupo metilo de la acetil-CoA carboxilasa. El enolato resultante ataca al CO₂ _para formar malonil-CoA. En un mecanismo competitivo, la abstracción de protones es concertada con el ataque del acetil-CoA.

La función de la ACC es regular el metabolismo de los ácidos grasos. Cuando la enzima está activa, se produce el producto malonil-CoA, que es un componente básico para la formación de nuevos ácidos grasos y puede inhibir la transferencia del grupo acilo graso del acil-CoA a la carnitina mediante la carnitina aciltransferasa , lo que inhibe la beta-oxidación de los ácidos grasos en las mitocondrias .

En los mamíferos , se expresan dos isoformas principales de ACC, ACC1 y ACC2, que difieren tanto en la distribución tisular como en la función. ACC1 se encuentra en el citoplasma de todas las células, pero está enriquecida en el tejido lipogénico, como el tejido adiposo y las glándulas mamarias lactantes , donde la síntesis de ácidos grasos es importante. ^{[ 10 ]} En los tejidos oxidativos, como el músculo esquelético y el corazón , la proporción de ACC2 expresada es mayor. Tanto ACC1 como ACC2 se expresan en gran medida en el hígado , donde tanto la oxidación como la síntesis de ácidos grasos son importantes. ^{[ 11 ]} Las diferencias en la distribución tisular indican que ACC1 mantiene la regulación de la síntesis de ácidos grasos, mientras que ACC2 regula principalmente la oxidación de ácidos grasos (oxidación beta).

Una isoforma mitocondrial de ACC1 (mtACC1) desempeña un papel parcialmente redundante en la síntesis de ácido lipoico y, por lo tanto, en la lipoilación de proteínas al proporcionar malonil-CoA para la síntesis mitocondrial de ácidos grasos (mtFAS) junto con ACSF3 . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

La regulación de la ACC en mamíferos es compleja, ya que controla dos grupos distintos de malonil-CoA que dirigen la inhibición de la beta oxidación o la activación de la biosíntesis de lípidos. ^{[ 14 ]}

Las enzimas ACC1 y ACC2 de los mamíferos están reguladas transcripcionalmente por múltiples promotores que median la abundancia de ACC en respuesta al estado nutricional de las células. La activación de la expresión génica a través de diferentes promotores da lugar a un empalme alternativo ; sin embargo, la importancia fisiológica de las isoenzimas ACC específicas aún no está clara. ^{[ 11 ]} La sensibilidad al estado nutricional resulta del control de estos promotores por factores de transcripción como la proteína de unión al elemento regulador de esteroles 1 , controlada por la insulina a nivel transcripcional, y ChREBP , cuya expresión aumenta con dietas ricas en carbohidratos . ^{[ 15 ] [ 16 ]}

A través de un bucle de retroalimentación positiva, el citrato activa alostéricamente la ACC. ^{[ 17 ]} El citrato puede aumentar la polimerización de la ACC para incrementar la actividad enzimática; sin embargo, no está claro si la polimerización es el principal mecanismo del citrato para aumentar la actividad de la ACC o si la polimerización es un artefacto de los experimentos in vitro. Otros activadores alostéricos incluyen el glutamato y otros ácidos dicarboxílicos . ^{[ 18 ]} Los acil-CoA grasos de cadena larga y corta son inhibidores de retroalimentación negativa de la ACC. ^{[ 19 ]} Uno de estos moduladores alostéricos negativos es el palmitoil-CoA . ^{[ 20 ]}

La fosforilación puede ocurrir cuando las hormonas glucagón ^{[ 21 ]} o epinefrina ^{[ 22 ]} se unen a los receptores de la superficie celular , pero la causa principal de la fosforilación se debe a un aumento en los niveles de AMP cuando el estado energético de la célula es bajo, lo que lleva a la activación de la proteína quinasa activada por AMP (AMPK). La AMPK es el principal regulador de la quinasa de ACC, capaz de fosforilar varios residuos de serina en ambas isoformas de ACC. ^{[ 23 ]} En ACC1, la AMPK fosforila Ser79, Ser1200 y Ser1215. La proteína quinasa A también tiene la capacidad de fosforilar ACC, con una capacidad mucho mayor para fosforilar ACC2 que ACC1. Ser80 y Ser1263 en ACC1 también pueden servir como un sitio de fosforilación como mecanismo regulador. ^{[ 24 ]} Sin embargo, actualmente se desconoce la importancia fisiológica de la proteína quinasa A en la regulación de ACC. Los investigadores plantean la hipótesis de que existen otras quinasas de ACC importantes para su regulación, ya que hay muchos otros posibles sitios de fosforilación en ACC. ^{[ 25 ]}

Cuando la insulina se une a sus receptores en la membrana celular , activa una enzima fosfatasa llamada proteína fosfatasa 2A (PP2A) para desfosforilar la enzima, eliminando así su efecto inhibidor. Además, la insulina induce una fosfodiesterasa que reduce el nivel de AMPc en la célula, inhibiendo de esta manera la PKA, y también inhibe directamente la AMPK.

Esta proteína puede utilizar el modelo de morfeína de regulación alostérica . ^{[ 26 ]}

En la confluencia de las vías de síntesis y oxidación de lípidos, la ACC presenta muchas posibilidades clínicas para la producción de nuevos antibióticos y el desarrollo de nuevas terapias para la diabetes , la obesidad y otras manifestaciones del síndrome metabólico . ^{[ 27 ]} Los investigadores buscan aprovechar las diferencias estructurales entre las ACC bacterianas y humanas para crear antibióticos específicos para la ACC bacteriana, con el fin de minimizar los efectos secundarios en los pacientes. Resultados prometedores sobre la utilidad de un inhibidor de la ACC incluyen el hallazgo de que los ratones sin expresión de ACC2 presentan oxidación continua de ácidos grasos, masa grasa corporal reducida y menor peso corporal a pesar de un aumento en el consumo de alimentos. Estos ratones también están protegidos contra la diabetes. ^{[ 14 ]} La ausencia de ACC1 en ratones mutantes es letal ya en la etapa embrionaria. Sin embargo, se desconoce si los fármacos dirigidos a las ACC en humanos deben ser específicos para ACC2. ^{[ 28 ]}

Firsocostat (anteriormente GS-976, ND-630, NDI-010976) es un potente inhibidor alostérico de la ACC, que actúa en el dominio BC de la ACC. ^{[ 29 ]} Firsocostat se encuentra en desarrollo desde 2019 (Fase II) ^{[ 30 ]} por la compañía farmacéutica Gilead como parte de un tratamiento combinado para la esteatohepatitis no alcohólica (EHNA), considerada una causa cada vez más frecuente de insuficiencia hepática. ^{[ 31 ]}

Además, los inhibidores de ACC selectivos para plantas se utilizan ampliamente como herbicidas , ^{[ 32 ]} lo que sugiere una aplicación clínica contra parásitos Apicomplexa que dependen de una isoforma de ACC derivada de plantas, ^{[ 33 ]} incluyendo la malaria .

Los inhibidores de ACC del grupo 23 de IRAC se utilizan como insecticidas / acaricidas . ^{[ 34 ]}

Se cree que los fenotipos clínicos heterogéneos de la enfermedad metabólica aciduria malónica y metilmalónica combinada (CMAMMA) debida a la deficiencia de ACSF3 resultan de una compensación parcial de una isoforma mitocondrial de ACC1 (mtACC1) por la deficiencia de ACSF3 en la síntesis mitocondrial de ácidos grasos (mtFAS). ^{[ 35 ]}

• Herbicidas inhibidores de la ACCasa
• malonil-CoA descarboxilasa