Acetil-CoA carboxilase

Acetyl-CoA carboxylase
Human ACC1 homodimer with catalytic domains highlighted; biotin carboxylase (red), biotinyl-binding (blue) and carboxyltransferase (green). PDB 6G2D

A acetil-CoA carboxilase (ACC) é uma enzima dependente de biotina (EC 6.4.1.2) que catalisa a carboxilação irreversível da acetil-CoA para produzir malonil-CoA através das suas duas atividades catalíticas: biotina carboxilase (BC) e carboxiltransferase (CT). A ACC é uma enzima multissubunidade encontrada na maioria dos procariontes e nos cloroplastos da maioria das plantas e algas, enquanto é uma grande enzima multidomínio encontrada no citoplasma da maioria dos eucariontes. A função mais importante da ACC é fornecer o substrato enzimático malonil-CoA para a biossíntese de ácidos gordos.^[1] A atividade da ACC pode ser controlada a nível transcricional, bem como por moduladores de pequenas moléculas e modificação covalente. O genoma humano contém genes para duas ACC diferentes,^[2] denominados ACACA^[3] e ACACB.^[4]

As procariontes e as plantas possuem ACCs multissubunitárias compostas por vários polipeptídeos. A atividade da biotina carboxilase (BC), a proteína transportadora de carboxila da biotina (BCCP) e a atividade da carboxiltransferase (CT) estão contidas em diferentes subunidades. A estequiometria destas subunidades na holoenzima ACC difere entre organismos.^[1] Nos humanos e na maioria dos eucariontes, uma ACC evoluiu com domínios catalíticos proteínas CT e BC e BCCP localizados num único polipeptídeo. A maioria das plantas também possui esta forma homomérica no citosol.^[5] As regiões funcionais da ACC, começando na extremidade N-terminal e terminando na extremidade C-terminal, são: biotina carboxilase (BC), ligação à biotina (BB), carboxiltransferase (CT) e motivo de ligação ao ATP (AB). A região AB está localizada dentro da BC. A biotina está ligada covalentemente, através de uma ligação amida, à longa cadeia lateral de um resíduo de lisina na BB. Como a BB está entre as regiões BC e CT, a biotina pode translocar-se facilmente para ambos os sítios ativos quando necessário.

Nos mamíferos, onde são expressas duas isoformas da ACC, a principal diferença estrutural entre elas é a extensão da extremidade N-terminal da ACC2, que contém uma sequência de direccionamento mitocondrial.^[1]

Os polipeptídeos que constituem a ACCS multissubunidade dos procariontes e das plantas são codificados por genes diferentes. Em Escherichia coli, o gene accA codifica a subunidade alfa da acetil-CoA carboxilase,^[6] e o accD a sua subunidade beta.^[7]

A reação global ACAC(A,B) ocorre através de um mecanismo de duas etapas.^[8] A primeira reação é realizada pela BC e envolve a carboxilação ATP-dependente da biotina com o bicarbonato a funcionar como fonte de CO₂. O grupo carboxilo é transferido da biotina para o acetil-CoA para formar malonil-CoA na segunda reação, que é catalisada pela CT.

No sítio ativo, a reação prossegue com uma extensa interação dos resíduos Glu296 e dos resíduos Arg338 e Arg292, carregados positivamente, com os substratos.^[9] Dois iões Mg²⁺ estão coordenados pelos grupos fosfato da adenosina trifosfato (ATP) e são necessários para a ligação do ATP à enzima. O bicarbonato é desprotonado pelo Glu296, embora em solução esta transferência de protões seja improvável, dado que o pKa do bicarbonato é de 10,3. Aparentemente, a enzima manipula o pKa para facilitar a desprotonação do bicarbonato. O pKa do bicarbonato é diminuído pela sua interação com as cadeias laterais carregadas positivamente da Arg338 e da Arg292. Além disso, o Glu296 interage com a cadeia lateral do Glu211, uma interação que provoca um aumento aparente do pKa. Após a desprotonação do bicarbonato, o oxigénio do bicarbonato atua como nucleófilo e ataca o fosfato gama do ATP. O intermediário carboxifosfato decompõe-se rapidamente em CO₂ e PO₄³⁻. O PO₄³⁻ desprotona a biotina, criando um enolato, estabilizado pela Arg338, que ataca então o CO₂, resultando na produção de carboxibiotina. A carboxibiotina é translocada para o sítio ativo da carboxiltransferase (CT), onde o grupo carboxilo é transferido para a acetil-CoA. Ao contrário do domínio BC, pouco se sabe sobre o mecanismo de reação da CT. Um mecanismo proposto é a libertação de CO₂ da biotina, que depois extrai um protão do grupo metilo da acetil-CoA carboxilase. O enolato resultante ataca o CO₂ para formar malonil-CoA. Num mecanismo competitivo, a extração de protões é coordenada com o ataque da acetil-CoA.

A função da ACC é regular o metabolismo dos ácidos gordos. Quando a enzima está ativa, forma-se o produto malonil-CoA, que é um bloco de construção para a síntese de novos ácidos gordos e pode inibir a transferência do grupo acil gordo da acil-CoA para a carnitina pela carnitina aciltransferase, o que inibe a beta-oxidação dos ácidos gordos nas mitocôndrias.

Nos mamíferos, são expressas duas isoformas principais da ACC: ACC1 e ACC2, que diferem na distribuição tecidular e na função. A ACC1 encontra-se no citoplasma de todas as células, mas é mais abundante nos tecidos lipogénicos, como o tecido adiposo e a glândula mamária lactante, onde a síntese de ácidos gordos é importante.^[10] Nos tecidos oxidativos, como o músculo esquelético e o coração, a proporção de ACC2 expressa é maior. Tanto a ACC1 como a ACC2 são altamente expressas no fígado, onde a oxidação e a síntese de ácidos gordos são importantes.^[11] As diferenças na distribuição tecidular indicam que a ACC1 mantém a regulação da síntese de ácidos gordos, enquanto a ACC2 regula principalmente a oxidação dos ácidos gordos (beta-oxidação).

Uma isoforma mitocondrial da ACC1 (mtACC1) desempenha um papel parcialmente redundante na síntese de ácido lipoico e, portanto, na lipoilação de proteínas, fornecendo malonil-CoA para a síntese mitocondrial de ácidos gordos em conjunto com a ACSF3.^[12][13]

A regulação da ACC em mamíferos é complexa, controlando duas populações distintas de moléculas de malonil-CoA que direcionam a inibição da beta-oxidação ou a ativação da biossíntese lipídica.

A ACC1 e a ACC2 nos mamíferos são reguladas transcricionalmente por múltiplos promotores que determinam a abundância de ACC em resposta ao estado nutricional da célula. A ativação da expressão génica por diferentes promotores resulta no splicing alternativo do mRNA. No entanto, o significado fisiológico das isoenzimas ACC específicas não é claro.^[11] A sensibilidade ao estado nutricional surge do controlo destes promotores por fatores de transcrição como a proteína 1 de ligação ao elemento regulador de esteróis, que é controlada transcricionalmente pela insulina, e a ChREBP, que é regulada positivamente por dietas ricas em carboidratos.^[14][15]

Através de um circuito de feedback, o citrato ativa o ACC.^[16] O citrato pode aumentar a polimerização da ACC, aumentando assim a atividade enzimática; contudo, não está claro se a polimerização é o principal mecanismo pelo qual o citrato aumenta a atividade da ACC ou se é um artefacto das experiências in vitro. Outros ativadores alostéricos são o glutamato e outros ácidos dicarboxílicos.^[17] Os acil-CoA gordos de cadeia curta e longa são inibidores do ACC através de feedback negativo.^[18] Um desses moduladores alostéricos negativos é o palmitoil-CoA.^[19]

A fosforilação pode ocorrer quando as hormonas glucagon^[20] ou epinefrina^[21] A fosforilação ocorre principalmente devido ao aumento dos níveis de AMP quando o estado energético da célula é baixo, levando à ativação da proteína quinase ativada por AMP (AMPK). A AMPK é o principal regulador do tipo quinase da ACC, com a capacidade de fosforilar vários resíduos de serina em ambas as isoformas da ACC.^[22] Na ACC1, a AMPK fosforila a Ser79, Ser1200 e Ser1215. A proteína quinase A tem também a capacidade de fosforilar a ACC, mas com uma capacidade muito maior de fosforilar a ACC2 do que a ACC1. Os resíduos Ser80 e Ser1263 da ACC1 podem também servir como locais de fosforilação como mecanismo regulador.^[23] No entanto, a importância fisiológica da proteína quinase A (PKA) na regulação da ACC é atualmente desconhecida. Coloca-se a hipótese de existirem outras quinases da ACC importantes para esta regulação, dado que existem muitos outros possíveis locais de fosforilação na ACC.^[24]

Quando a insulina se liga aos seus recetores na membrana plasmática, ativa uma enzima fosfatase chamada proteína fosfatase 2A (PP2A) para desfosforilar a enzima, eliminando assim o efeito inibitório. Além disso, a insulina induz uma fosfodiesterase que diminui o nível de AMP cíclico (AMPc) na célula, inibindo assim a PKA, e também inibe diretamente a AMPK.

Esta proteína pode utilizar o modelo de regulação alostérica da morfeína.^[25]

Referências