Acyl-CoA dehidrogenaze , de asemenea ACAD (abreviat din engleză. A cil- C o A dehydrogenase s , EC 1.3.99.3 ) - un grup de enzime din clasa oxidoreductazelor care catalizează reacțiile de transfer de protoni ( dehidrogenare ) din substrat - acil- Acizii grași CoA de pe flavoproteina cu transfer de electroni ( FAD ), sunt implicați în procesul de β-oxidare . Rezultatul reacției este formarea unei duble legături situate între atomii C2 (α) și C3 (β) din molecula de tioeter substrat (acil-CoA)[1] .
Flavoproteina în acest caz molecula FAD este grupul protetic .
Enzimele catalizează reacțiile de β-oxidare a acizilor grași, care se desfășoară după următoarea schemă:
sau Acil-CoA + FAD → trans-2,3-dehidroacil-CoA + FADH 2
Produsul de reacție rezultat este un tioester al acidului gras nesaturat (trans- A2 - enoil-CoA) care are o legătură dublă în poziția trans.
ACAD-urile pot fi împărțite în trei grupuri în funcție de specificitatea lor pentru acizii grași acil-CoA cu lanț scurt, mediu și lung. În ciuda diferențelor în lungimea lanțului substratului, toate ACAD-urile sunt similare mecanic. Diferențele de enzime apar pe baza locației situsului activ în secvența de aminoacizi [2] .
Enzime ACAD au fost identificate la multe animale (9 enzime majore), inclusiv nematode [3] , precum și plante [4] , ciuperci [5] și bacterii [6] . Cinci dintre aceste nouă enzime sunt implicate în β-oxidarea acizilor grași (SCAD, MCAD , LCAD, VLCAD și VLCAD2), în timp ce celelalte patru sunt implicate în metabolismul aminoacizilor cu lanț ramificat (i3VD, i2VD, GD și iBD). Majoritatea acil-CoA dehidrogenazelor sunt homotetrameri α4, iar în două cazuri (pentru substraturi de acizi grași cu lanț foarte lung) sunt homodimeri α2. S-a descoperit o clasă suplimentară de acil-CoA dehidrogenaze care catalizează reacțiile de α,β-nesaturare cu tioesteri steroil-CoA în unele tipuri de bacterii [7] [8] . S-a demonstrat că această clasă de ACAD formează heterotetrameri α2β2 mai degrabă decât homotetramerul obișnuit α4, o arhitectură proteică care a evoluat pentru a găzdui un substrat steroil-CoA mult mai mare [9] [10] .
Cea mai studiată structură dintre enzimele acestui grup este structura Acil-CoA dehidrogenazei cu lanț mediu a acizilor grași ( MCAD , EC 1.3.8.7 ). Este prezentat ca un tetramer, fiecare subunitate conține 400 de resturi de aminoacizi și 1 moleculă FAD per monomer. Tetramerul este clasificat ca „dimer dimer” având un diametru total de 90 Å.
Grupul protetic, FAD, se leagă de trei domenii monomerice unde contribuie semnificativ la stabilitatea globală a enzimei. Acidul gras acil-CoA se leagă complet de fiecare monomer al enzimei. Situl activ este aliniat cu resturile de aminoacizi F252, T255, V259, T96, T99, A100, L103, Y375, Y375 și E376.
MCAD se poate lega la o gamă destul de largă de lungimi de lanț de substrat, acizii grași acil-CoA, dar studiile arată că octanoil-CoA (C8-CoA) este ținta cea mai specifică pentru legare [11] .
Mecanismul de cataliză se bazează pe reacțiile de eliminare a E2 (clivaj) a doi protoni din substrat și transferul lor ulterior în FAD. Îndepărtarea protonilor este inițiată de restul glutamat , care, deși este necesar pentru mecanismul de reacție, nu este reținut [1] .
Reziduul de glutamat poate apărea într-o varietate de locuri în diferite tipuri de acil-CoA dehidrogenaze (de exemplu, pentru MCAD , acesta este Glu-376). Deprotonează (clindează) hidrogenul pro-R la atomul de carbon din poziția α (C2) în molecula de acil-CoA. Legăturile de hidrogen ale oxigenului carbonil al substratului atât pentru grupările 2’-OH ale ribitolului din lanțul lateral FAD, cât și coloana vertebrală N-H din restul de glutamat menționat anterior scad pKa (constanta de aciditate) a acestui proton , ceea ce îi permite să să fie îndepărtat rapid de pe substrat cu Glu- 376 [1] .
Pe măsură ce are loc deprotonarea carbonului alfa (C2), hidrogenul pro-R al carbonului beta (C3) părăsește molecula de substrat și anionul hidrură se deplasează către FAD într-un mod coordonat. Un proton se atașează la partea Re a FAD în poziția N-5, cu enzima menținând FAD în loc prin legături de hidrogen la situsul pirimidinic și interacțiuni hidrofobe la fragmentul dimetilbenzen. Substratul este acum transformat într-un tioeter,β-nesaturat [1] .
Odată ce FAD acceptă anionul hidrură, atomul de oxigen carbonil adiacent atomului de azot în poziția N-1 devine încărcat negativ. Acești electroni sunt în rezonanță cu atomul de azot N-1, care circulă și se stabilizează într-o sarcină negativă netă. Sarcina este, de asemenea, stabilizată prin legăturile de hidrogen între atomii de oxigen și azot și diferite resturi de aminoacizi ale situsului activ al enzimei [1] .
Stările deficitare ale acil-CoA dehidrogenazelor conduc la o încetinire a proceselor de β-oxidare a acizilor grași, prezentând astfel tulburări metabolice. Cele mai frecvente sunt tulburările genetice, cum ar fi deficitul de acil-CoA dehidrogenaze ale acizilor grași cu lungime medie a lanțului ( MCADD , prescurtare din engleză Medium-chain acyl-CoA dehidrogenase deficiencies ) o boală autosomal recesivă care duce la afecțiuni letale ale organismului. Unele dintre simptomele care caracterizează MCADD sunt accese de vărsături , hipoglicemie și sindromul morții subite a sugarului (se dezvoltă pe fondul utilizării abundente a glucozei ) și altele. Toate aceste simptome sunt direct legate de acumularea acizilor grași cu lanț mediu (în special caprilici ) și a derivaților acestora în sânge și deficitul secundar de carnitină . Aceasta duce la acidificare și la scăderea pH-ului sângelui și, ca urmare, la acidoză [1] [12] . Aceste manifestări ale MCADD sunt de mare pericol la nou-născuții, dintre aceștia fiind observată cea mai mare mortalitate (până la 60%) [12] .
Cauza MCADD este o mutație a genei ACADM . În aproximativ 90% din cazuri, se manifestă prin înlocuirea lizinei la poziția 304 (Lys-304) cu glutamat, privând astfel enzima de funcționarea normală. Mutația este detectată la 1 din 20.000 de nou-născuți în fiecare an. Deoarece MCADD este o mutație recesivă, adesea părinții copiilor care suferă de o deficiență pot fi ulterior diagnosticați ca purtători [13] .
La om, cele mai frecvente mutații naturale în MCAD apar la reziduul de aminoacid lizină din poziția 304 (Lys-304). Ca rezultat al mutațiilor punctiforme din lanțul lateral, o lizină este înlocuită cu un reziduu de glutamat . Lys-304 interacționează în mod obișnuit cu resturile de aminoacizi din jur prin formarea de legături de hidrogen cu resturile Gln-342, Asp-300 și Asp-346. Când apare o mutație și glutamatul ia locul lizinei, aceasta provoacă o manifestare negativă - o sarcină negativă suplimentară (datorită prezenței a două grupări carboxil în acesta din urmă ) este introdusă pe partea în care se formează legătura de hidrogen , distrugându-l. Această perturbare modifică structura pliată a enzimei, compromițându-i în cele din urmă stabilitatea și inhibând funcția sa primară, oxidarea acizilor grași. Eficiența proteinei mutante este de aproximativ 10 ori mai mică decât cea a proteinei native. Acest lucru duce la simptome de MCADD [14] .