Cetoacil sintasa

La sintasa de ácidos grasos (FAS) es el sistema enzimático implicado en la síntesis de novo de ácidos grasos. La FAS es un sistema multienzimático iterativo compuesto por varias enzimas, una de las cuales es la cetoacil sintasa. Existen dos tipos de FAS: tipo I y tipo II. Las FAS de tipo I son enzimas multidominio altamente integradas. Contienen dominios funcionales discretos responsables de actividades catalíticas específicas de la secuencia de reacción, ya sea en una única cadena polipeptídica o en dos proteínas multifuncionales diferentes. Las FAS de tipo II son sistemas disociados, lo que significa que las enzimas componentes son proteínas independientes codificadas por una serie de genes separados. ^{[ 2 ]}

Las policétido sintasas (PKS) están relacionadas estructural y funcionalmente con las FAS, ya que ambas son enzimas que catalizan la condensación de metabolitos primarios activados como el acetil-CoA y el malonil-CoA.

La principal reacción que catalizan es: ^{[ 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

Al igual que las FAS, las PKS utilizan una β-cetoacilsintasa (KS), una aciltransferasa ( MAT/AT) (malonil) opcional y una proteína transportadora de acilo (ACP) o coenzima A (CoA) fosfopantetienilada. Ambas también emplean una cetorreductasa, una deshidratasa y una enoil reductasa para crear una cadena principal de acilo completamente saturada. Sin embargo, a diferencia de las FAS, las PKS suelen utilizar un mayor número de bloques de construcción biosintéticos y forman una mayor variedad de longitudes de cola. Los pasos reductivos que utilizan las FAS también son opcionales para las PKS. Al omitirlos, existe la posibilidad de obtener un patrón de funcionalización más complejo. ^{[ 4 ]}

Existen tres tipos principales de policétidos: tipo I, tipo II y tipo III. El tipo I es muy similar al FAS tipo I, ya que contiene dominios catalíticos alineados linealmente y fusionados covalentemente dentro de grandes enzimas multifuncionales. El tipo II tiende a ser un complejo más disociable con dominios enzimáticos monofuncionales. Otra diferencia entre las PKS radica en la existencia de un tipo adicional, el tipo III. Las PKS de tipo III son multifuncionales en la selección de la unidad inicial, el ensamblaje de la cadena y la promoción del plegamiento. ^{[ 4 ]}

La reacción característica de la β-cetoacil-ACP sintasa III es malonil-ACP + acetil-CoA => acetoacil-ACP + CO₂ ₊ CoA. La cisteína, la histidina y la asparagina forman la tríada catalítica en la KAS III, que utiliza el mecanismo cinético de ping-pong. ^{[ 1 ]}

En Escherichia coli , un organismo donde se encuentra típicamente la KAS III, esta enzima es débilmente inhibida por la tiolactomicina. ^{[ 6 ]} En el mismo organismo, la KAS III tendrá un pH óptimo de 7 y una temperatura óptima de 30-37  °C. ^{[ 7 ]} Los inhibidores, el pH óptimo y las temperaturas óptimas varían ligeramente en cada organismo. Sin embargo, estos valores son bastante indicativos del entorno ideal de la enzima en general.

La 3-cetoacil-CoA sintasa I en Arabidopsis thaliana participa en la síntesis de ácidos grasos de cadena muy larga, que desempeña un papel en la biosíntesis de ceras. ^{[ 8 ]} La enzima cataliza la siguiente reacción:

acil-CoA de cadena muy larga + malonil-CoA ⇒ 3-oxoacil-CoA de cadena muy larga + CoA + CO ₂ ^{[ 9 ]}

Es una elongasa que parece estar involucrada en la producción de ácidos grasos de cadena muy larga, de 26 carbonos o más. ^{[ 10 ]} El mefluidida y la perfluidona son inhibidores selectivos de esta enzima. ^{[ 11 ]}

La 3-cetoacil-ACP sintasa I ( EC 2.3.1.41 ) participa en el proceso de elongación de la cadena en la FAS de tipo II. La ausencia de esta enzima conlleva un déficit de ácidos grasos insaturados. Utiliza tioésteres de acilo graso de ACP y CoA como sustratos y presenta una especificidad similar a la de la beta-cetoacil-ACP sintasa II. ^{[ 12 ]}

Normalmente, esta enzima se utiliza en reacciones de condensación, así como en descarboxilación y transferencia de grupos acilo.

La reacción se desarrolla de la siguiente manera:

acil-[proteína transportadora de acilo] + malonil-[proteína transportadora de acilo] → 3-oxoacil-[proteína transportadora de acilo] + CO2 + [proteína transportadora de acilo]

En Escherichia coli , por ejemplo, esta enzima se utiliza para construir cadenas de acilo graso mediante una reacción de condensación de Claisen en tres pasos. La reacción comienza con una tioesterificación trans del sustrato acilo cebador. El sustrato donador se descarboxila, formando un intermedio carbanión, que ataca el C1 del sustrato cebador y crea la cadena acilo alargada. ^{[ 13 ]}

Se conocen varias moléculas que inhiben la sintasa I. Por ejemplo, en ciertos casos, el propio acil-CoA inhibe la enzima a altas concentraciones en Escherichia coli. Se sabe que la cerulenina inhibe la sintasa I en Carthamus tinctorius , Spinacia oleracea , Brassica napus , Allium ampeloprasu , Streptococcus pneumoniae , Escherichia coli , Mycobacterium tuberculosis y muchos más. En Mycobacterium tuberculosis , el palmitoil-CoA es un inhibidor, y la tiolactomicina también lo es en varios organismos. ^{[ 12 ]}

El rango de pH óptimo varía mucho de un organismo a otro, pero en general tiende a estar entre 5,5 y 8,5. La temperatura óptima es la misma, con 20  °C en un extremo del espectro y 37  °C en el otro.

La 3-cetoacil-ACP sintasa II ^{[ 14 ]} participa en la FAS de tipo II que se produce en plantas y bacterias. Si bien es muy similar a la beta-cetoacil-ACP sintasa I, existe una ligera diferencia entre ambas. Una diferencia principal es que la sintasa II puede utilizar fácilmente palmitoleoil-ACP como sustrato, mientras que la sintasa I no. Esto permite controlar la regulación de la composición de ácidos grasos en función de la temperatura. ^{[ 15 ]}

La reacción se desarrolla de la siguiente manera:

( Z )-hexadec-11-enoil-[proteína transportadora de acilo] + malonil-[proteína transportadora de acilo] → ( Z )-3-oxooctadec-13-enoil-[proteína transportadora de acilo] + CO ₂ + [proteína transportadora de acilo]

En Streptococcus pneumoniae , por ejemplo, la sintasa II se utiliza como enzima de condensación por elongación. Contiene una tríada catalítica formada por Cys134, His337 e His303, así como Phe396 y una molécula de agua unida al sitio activo. La cisteína nucleofílica es necesaria para la formación del complejo acil-enzima y participa en la actividad de condensación general. His337 también participa en la actividad de condensación, específicamente en la estabilización de la carga negativa del carbonilo del tioéster malonilo en el estado de transición. His303 acelera la catálisis desprotonando la molécula de agua para permitir un ataque nucleofílico sobre el malonato, liberando así bicarbonato. Phe396 actúa como regulador, controlando el orden de adición del sustrato. ^{[ 16 ]}

Se conocen varias moléculas que inhiben esta enzima. Por ejemplo, la cerulenina inhibe la sintasa II en Spinacia oleracea , Allium ampelprasum , Escherichia coli y Streptococcus pneumoniae . En Escherichia coli , también se conocen inhibidores como platensimicina, tiolactomicina y yodoacetamida. ^{[ 15 ]}

El rango de pH óptimo varía según el organismo. En Escherichia coli , el rango es de 5,5 a 6,1; en Streptococcus pneumoniae , de 6,8 a 7; en Plasmodium falciparum, de 7,5; y en Spinacia oleracea , de 8,1 a 8,5. La temperatura óptima varía, pero generalmente se mantiene en el rango de 30 a 37  °C. ^{[ 15 ]}

La chalcona sintasa ( EC 2.3.1.74 ), también conocida como naringenina-chalcona sintasa, es responsable de la reacción:

3 malonil-CoA + 4-cumaroil-CoA → 4 CoA + naringenina chalcona + 3 CO ₂

En Medicago sativa , por ejemplo, la reacción ocurre a lo largo de una etapa de carga, una etapa de descarboxilación y, finalmente, una etapa de elongación. ^{[ 17 ]}

Varios inhibidores incluyen cerulenina en Sinapis alba, Daucus carota y Phaseolus vulgaris , apigenina en Secale cereale y Avena sativa , y eriodictyol en Decale cereal, Daucus carota y Xanthisma gracile. ^{[ 17 ]}

El pH óptimo al que esta enzima puede funcionar varía entre organismos, pero generalmente se sitúa entre 6 y 8. Lo mismo ocurre con la temperatura óptima, entre 30 y 45  °C. ^{[ 17 ]}