Koenzým A

Koenzým A (CoA, SHCoA, CoASH) je koenzým, ktorý je významný hlavne v syntéze a oxidácii mastných kyselín a v oxidácii pyruvátu v citrátovom cykle. Všetky genómy, ktoré boli zatiaľ osekvenované, obsahujú enzýmy, ktoré využívajú koenzým A ako substrát a ako substrát ho (alebo jeho tioester) použivajú približne 4 % bunkových enzýmov. U ľudí vyžaduje biosyntéza CoA cysteín, pantotenát (vitamín B₅) a adenozíntrifosfát (ATP).^[1]

Koenzým A
Koenzým A
Koenzým A
Všeobecné vlastnosti
Sumárny vzorec	C21H36N7O16P3S
Synonymá	CoA
Fyzikálne vlastnosti
Molárna hmotnosť	767,535 g/mol
Ďalšie informácie
Číslo CAS	85-61-0 (voľná kyselina) 55672-92-9 (sodná soľ) 18439-24-2 (lítna soľ)
PubChem	6816
ChemSpider	6557
SMILES	O=C(NCCS)CCNC(=O)C(O)C(C)(C)COP(=O)(O)OP(=O)(O)OC[C@H]3O[C@@H](n2cnc1c(ncnc12)N)[C@H](O)[C@@H]3OP(=O)(O)O
3D model (JSmol)	Interaktívny 3D model
Pokiaľ je to možné a bežné, používame jednotky sústavy SI. Ak nie je hore uvedené inak, údaje sú za normálnych podmienok.
Chemický portál

V jeho acetylovej podobe je koenzým A veľmi mnohoúčelná molekula, ktorá má svoje uplatnenie v anabolických i katabolických dráhach. Acetyl-CoA sa využíva i v post-translačnej regulácii a alosterickej regulácii pyruvátdehydrogenázy a pyruvátkarboxylázy, čím sa udržiava a podporuje syntéza a rozklad pyruvátu.^[2]

Objav štruktúry

Ako prvý identifikoval koenzým A Fritz Lipmann v roku 1946.^[3] Lipmann ho neskôr aj pomenoval. Štruktúra koenzýmu A bola určená na začiatku 50. rokov 20. storočia na Listerovom Inštitúte v Londýne v spolupráci Lipmanna a ostatných pracovníkov na Harvard Medical School a Massachusetts General Hospital.^[4] Lipmann mal pôvodne v pláne študovať prenos acetylovej skupiny u zvierat a počas týchto experimentov si všimol jedinečný faktor, ktorý nebol prítomný v extraktoch enzýmov, ale bol evidentný vo všetkých orgánoch zvierat. Tento faktor sa mu podarilo úspešne izolovať a purifikovať z prasacej pečene a zistil, že jeho funkcia bola príbuzná koenzýmu, ktorý sa účastnil acetylácie cholínu.^[5] V spolupráci s Beverly Guirardovou, Nathanom Kaplanom a ďalšími zistil, že kyselina pantoténová je hlavnou súčasťou koenzýmu A.^[6][7] Tento koenzým pomenoval „koenzým A“, čo znamenalo „aktivácia acetátu.“ V roku 1953 získal Lipmann Nobelovu cenu za fyziológiu alebo medicínu „za jeho objav koenzýmu A a jeho dôležitosti v metabolizme.“^[5][8]

Štruktúra koenzýmu A:1: 3'-fosfoadenozín, 2: difosfát, 3: kyselina pantoová, 4: β-alanín, 5: cysteínamín

Biosyntéza

Koenzým A je prirodzene syntetizovaný z pantotenátu (vitamín B₅), ktorý sa nachádza v potravinách, ako sú mäso, zelenina, obilné zrná, strukoviny, vajcia a mlieko.^[9] U ľudí a väčšiny živých organizmov je pantotenát esenciálnym vitamínom, ktorý má rôzne funkcie.^[10] V niektorých rastlinách a baktériách, vrátane Escherichia coli, môže byť pantotenát syntetizovaný de novo a preto sa jeho príjem v potrave nepovažuje za nevyhnutný. Tieto baktérie syntetizujú pantotenát z aminokyseliny aspartátu a metabolitu v biosyntéze valínu.^[11]

Podrobná reprezentácia biosyntetickej dráhy syntézy CoA z kyseliny pantoténovej.

Vo všetkých živých organizmoch sa koenzým A syntetizuje v piatich krokoch, ktoré si vyžadujú štyri molekuly ATP, pantotenát a cysteín:^[11][12]

1. Pantotenát (vitamín B₅) je fosforylovaný na 4'-fosfopantotenát pomocou enzýmu pantotenátkinázy (PanK; CoaA; CoaX). Toto je záväzný krok v biosyntéze CoA a vyžaduje ATP.^[11]
2. Na 4'-fosfopantotenát sa naviaže cysteín pomocou enzýmu fosfopantotenoylcysteínsyntetázy (PPCS; CoaB) za vzniku 4'-fosfo-N-pantotenoylcysteínu (PPC). Tento krok je taktiež spojený s hydrolýzou ATP.^[11]
3. PPC sa dekarboxyluje na 4'-fosfopanteteín pôsobením fosfopantotenoylcysteíndekarboxylázy (PPC-DC; CoaC)
4. 4'-Fosfopanteteín je adenylovaný (presnejšie, je naňho naviazané AMP) za vzniku defosfo-CoA pomocou enzýmu fosfopanteteínadenylyltransferázy (COASY; PPAT; CoaD)
5. Nakoniec je defosfo-CoA fosforylovaný na koenzým A enzýmom defosfokoenzým A kinázou (COASY; DPCK; CoaE). Tento posledný krok vyžaduje ATP.^[11]

Skratky názvov enzýmov v zátvorkách predstavujú cicavčie, iné eukaryotické a prokaryotické enzýmy. U cicavcov sú kroky 4 a 5 katalyzované bifunkčným enzýmom nazývaným COASY (koenzým A syntáza).^[13] Táto dráha je regulovaná inhibíciou produktom. CoA je kompetitívny inhibítor pantotenátkinázy, ktorá normálne viaže ATP.^[11] Počas tejto biosyntézy vznikajú koenzým A, tri ADP, jeden monofosfát a jeden difosfát.^[12]

Koenzým A môže byť syntetizovaný alternatívnymi dráhami, keď je hladina intracelulárneho koenzýmu A nízka a de novo cesta je narušená.^[14] V týchto dráhach je potrebné, aby bol koenzým A dodávaný z externého zdroja, ako je jedlo, aby sa vytvoril 4'-fosfopanteteín. Extracelulárne ektonukleotidové pyrofosfatázy (ENPP) štiepia koenzým A na ADP a 4′-fosfopanteteín, molekulu, ktorá je v organizmoch stabilná aspoň niekoľko hodín. Proteíny prenášajúce acyl (ACP) sú tiež využívané na výrobu 4'-fosfopanteteínu. Príjem 4'-fosfopanteteínu potom umožňuje doplnenie 4′-fosfopanteteínu v bunke a umožňuje konverziu na koenzým A prostredníctvom posledných dvoch enzýmov, konkrétne PPAT a DPCK.^[15]

Komerčná výroba

Koenzým A sa komerčne vyrába extrakciou z kvasiniek, avšak tento proces je neefektívny (výťažok je približne 25 mg/kg), čo vedie k drahému produktu. Boli skúmané rôzne spôsoby výroby CoA synteticky alebo polosynteticky, hoci v súčasnosti (koniec roka 2023) nie je žiadny z nich využívaný v priemyselnom merítku.^[16]

Funkcia

Zdroje a využitie CoA

Syntéza mastných kyselín

Bližšie informácie v hlavnom článku: Syntéza mastných kyselín

Keďže koenzým A je z chemického hľadiska tiol, môže reagovať s karboxylovými kyselinami za vzniku tioesterov, takže funguje ako nosič acylovej skupiny. Pomáha pri prenose mastných kyselín z cytoplazmy do mitochondrií. Molekula koenzýmu A nesúca acylovú skupinu sa tiež označuje ako acyl-CoA. Keď nie je pripojený k acylovej skupine, zvyčajne sa označuje ako „CoASH“ alebo „HSCoA“. Tento proces umožňuje produkciu mastných kyselín, ktoré sú nevyhnutné v štruktúre bunkovej membrány, v bunkách.

Koenzým A je tiež zdrojom fosfopanteteínovej skupiny, ktorá sa pridáva ako prostetická skupina k proteínom, ako sú proteíny prenášajúce acyl (ACP) a formyltetrahydrofolátdehydrogenáza.^[17][18]

Produkcia energie

Koenzým A je jedným z piatich kľúčových koenzýmov, ktoré sú nevyhnutné v reakčnom mechanizme cyklu kyseliny citrónovej. V podobe acetylkoenzýmu A je primárnym vstupom do cyklu kyseliny citrónovej. Acetylkoenzým A sa získava z glykolýzy, metabolizmu aminokyselín a beta-oxidácie mastných kyselín. Tento proces je primárnou katabolickou dráhou tela a je nevyhnutný pri rozklade stavebných kameňov bunky, ako sú Sacharidy, aminokyseliny a lipidy.^[19]

Regulácia

Pri prebytku glukózy sa koenzým A používa v cytozole na syntézu mastných kyselín.^[20] Tento proces je realizovaný reguláciou acetyl-CoA karboxylázy, ktorá katalyzuje záväzný krok v syntéze mastných kyselín. Inzulín stimuluje acetyl-CoA karboxylázu, zatiaľ čo epinefrín a glukagón inhibujú jej aktivitu.^[21]

Počas hladovania buniek sa syntetizuje koenzým A, ktorý potom transportuje mastné kyseliny v cytozole do mitochondrií. V tých vzniká acetyl-CoA, ktorý sa oxiduje a vyrába sa z neho energia.^[22] V cykle kyseliny citrónovej pôsobí koenzým A ako alosterický regulátor pri stimulácii enzýmu pyruvátdehydrogenázy.

Nový výskum zistil, že naviazanie CoA na proteíny hrá dôležitú úlohu pri regulácii reakcie na oxidačný stres. Naviazanie CoA na proteíny hrá podobnú úlohu ako S-glutationylácia v bunke a zabraňuje ireverzibilnej oxidácii tiolovej skupiny v cysteíne na povrchu bunkových proteínov, pričom tiež priamo reguluje enzymatickú aktivitu v reakcii na oxidačný alebo metabolický stres.^[23]

Použitie v biologickom výskume

Koenzým A je dostupný od rôznych dodávateľov chemikálií ako voľná kyselina a ako lítne alebo sodné soli. Voľná kyselina koenzýmu A je zistiteľne nestabilná, s približne 5% degradáciou pozorovanou po 6 mesiacoch pri skladovaní pri -20 °C^[24] a takmer úplnou degradáciou po 1 mesiaci pri 37 °C.^[25] Lítne a sodné soli CoA sú stabilnejšie, so zanedbateľným rozkladom zaznamenaným počas niekoľkých mesiacov pri rôznych teplotách.^[26] Vodné roztoky koenzýmu A sú nad pH 8 nestabilné, pričom 31 % aktivity sa stratilo po 24 hodinách pri 25 °C a pH 8. Zásobné roztoky CoA sú relatívne stabilné, keď sú zmrazené pri pH 2–6. Hlavnou cestou straty aktivity CoA je pravdepodobne oxidácia na vzduchu, pri ktorej sa CoASH oxiduje na disulfidy (CoAS-SCoA). Zmiešané disulfidy CoA, ako je CoA-S–S-glutatión, sú bežne známymi kontaminantmi v komerčných prípravkoch CoA.^[24] Voľný CoA je možné regenerovať z disulfidu CoA a zmiešaných disulfidov CoA pomocou redukčných činidiel, ako sú ditiotreitol alebo 2-merkaptoetanol.

Neúplný zoznam acylových skupín aktivovaných koenzýmom A

Medzi aktivované acyly, ktoré sa prenášajú pomocou koenzýmu A, patria:

• acetyl-CoA
• mastný acyl-CoA (aktivovaná forma všetkých mastných kyselín; iba estery CoA sú substrátmi pre dôležité reakcie, ako je syntéza mono-, di- a triacylglycerolov, karnitínpalmitoyltransferázu a esterifikáciu cholesterolu)
  • propionyl-CoA
  • butyryl-CoA
  • myristoyl-CoA
  • krotonyl-CoA
• acetoacetyl-CoA
• kumaroyl-CoA (používaný pri biosyntéze flavonoidov a stilbenoidov)
• benzoyl-CoA
• fenylacetyl-CoA
• acyly odvodené od dikarboxylových kyselín
  • malonyl-CoA (dôležitý pri predlžovaní reťazca pri biosyntéze mastných kyselín a biosyntéze polyketidov)
  • sukcinyl-CoA (používaný pri biosyntéze hemu)
  • hydroxymetylglutaryl-CoA (používaný pri biosyntéze izoprenoidov)
  • pimelyl-CoA (používaný pri biosyntéze biotínu)