Acetil-CoA sintetasa

Qué es la acetil-CoA sintetasa

Abreviada habitualmente como ACS, la acetil-CoA sintetasa es una enzima que pertenece al grupo 6 de la clasificación de la Comisión de Enzimas (EC 6), es decir, a las ligasas. Más específicamente, ocupa el código EC 6.2.1.1: ligasas que forman enlaces carbono-azufre del tipo ácido-tiol. Su nombre sistemático oficial, según la nomenclatura de la IUBMB, es acetato—CoA ligasa (formadora de AMP). La literatura ha utilizado a lo largo del tiempo otros nombres equivalentes: enzima activadora del acetilo, acetato tiocinasa, acil-CoA sintetasa de cadena corta.

Etimológicamente, sintetasa deriva del griego σύνθεσις (sýnthesis, "composición", "combinación") y del sufijo enzimático -asa. Conviene distinguirla de un término próximo pero no equivalente, sintasa. La nomenclatura bioquímica moderna utiliza sintetasa únicamente para las enzimas que unen dos moléculas con consumo de un nucleótido trifosfato (ATP, GTP), mientras que sintasa queda reservada para las que catalizan una unión sin hidrólisis de nucleótido. La acetil-CoA sintetasa cumple el primer criterio: necesita ATP para activar al acetato. Esta convención, propuesta por la IUBMB a finales del siglo XX, ha tardado décadas en imponerse en los libros de texto, y de ahí que muchos manuales antiguos utilicen indistintamente las dos formas.

En cuanto al término coenzima A, remite a la molécula que aporta el grupo sulfhidrilo donde se anclará el acetilo. La descripción detallada de esa estructura corresponde a su propia entrada del diccionario; aquí basta con recordar que actúa como receptor universal de grupos acilo en las células vivas.

Reacción enzimática y mecanismo de adenilación

La reacción global catalizada por la acetil-CoA sintetasa se resume así:

acetato + CoA-SH + ATP → acetil-CoA + AMP + PPi

Ese balance condensado oculta lo verdaderamente interesante: la reacción ocurre en dos pasos separados, ambos dentro del mismo sitio activo de la enzima. En el primero —la fase de adenilación—, el carboxilato del acetato ataca nucleofílicamente al fósforo α del ATP y se libera pirofosfato (PPi). El resultado es un intermediario reactivo, el acetil-AMP, en el que el grupo acetilo queda unido a la adenosina-monofosfato por un enlace anhídrido mixto de alta energía.

En el segundo paso —tioesterificación—, el grupo sulfhidrilo de la coenzima A desplaza al AMP y se forma el enlace tioéster característico del acetil-CoA. La enzima sufre durante esta transición un giro conformacional considerable, del orden de 140°, descrito por cristalografía en la levadura por el grupo de Andrew Gulick en 2003: el dominio C-terminal, pequeño, gira sobre el dominio N-terminal, grande, y reorienta el sitio activo para acomodar la segunda parte de la reacción.

La fuerza termodinámica que mantiene irreversible la reacción procede de un detalle aparentemente menor. El pirofosfato liberado en el primer paso es hidrolizado de inmediato por la pirofosfatasa inorgánica, una enzima ubicua en el citosol y la mitocondria. Esa hidrólisis acopla un segundo enlace fosfoanhídrido al balance global, de manera que el coste energético real de activar una molécula de acetato no es de un ATP sino de dos enlaces fosfoanhídridos: ATP → AMP + 2 Pi. Es el mismo "truco" energético que utilizan, por las mismas razones, las aminoacil-tRNA sintetasas que activan los aminoácidos antes de cargarlos al ribosoma.

Isoenzimas humanas y localización subcelular

El genoma humano codifica al menos tres acil-CoA sintetasas de cadena corta capaces de catalizar la reacción EC 6.2.1.1, todas pertenecientes a la familia ACSS (acyl-CoA synthetase short-chain). Difieren en su localización subcelular, en su preferencia de sustrato y en el contexto fisiológico en el que se expresan.

ACSS2. Es la isoforma citosólica y nuclear, codificada por el gen ACSS2 en el cromosoma 20. Su masa es de unos 79 kDa y su expresión está controlada por los factores de transcripción SREBP (sterol regulatory element-binding proteins), reguladores maestros de la lipogénesis. Genera acetil-CoA en el citosol para la síntesis de ácidos grasos y colesterol, y se transloca al núcleo en condiciones de privación de glucosa, donde produce localmente acetil-CoA destinado a la acetilación de histonas. Ese papel nuclear ha situado a ACSS2 en el centro de la investigación oncológica reciente, particularmente en tumores que crecen en condiciones de hipoxia.

ACSS1. Es la isoforma mitocondrial. Genera acetil-CoA dentro de la mitocondria a partir del acetato libre, una fuente especialmente relevante en condiciones cetogénicas y de termogénesis adaptativa. La literatura la vincula también al metabolismo del etanol, ya que el acetato resultante de la oxidación del etanol por la alcohol deshidrogenasa y la acetaldehído deshidrogenasa es uno de sus sustratos fisiológicos.

ACSS3. Igualmente mitocondrial, pero con preferencia por sustratos de tres carbonos: aunque puede activar acetato con baja afinidad, su sustrato fisiológico principal es el propionato, que convierte en propionil-CoA. Su contribución cuantitativa a la formación de acetil-CoA es marginal en condiciones normales.

Las tres isoformas comparten una arquitectura proteica común a toda la superfamilia de enzimas formadoras de adenilato: un dominio N-terminal grande, de más de 500 residuos, y un dominio C-terminal pequeño, de unos 120 residuos, con el sitio activo situado en la interfase de ambos. La familia incluye, además de las propias acil-CoA sintetasas, las luciferasas de la luciérnaga y los dominios de adenilación de las sintetasas no ribosómicas de péptidos.

Identificación por Paul Berg en los años cincuenta

El descubrimiento de la enzima está documentado con precisión histórica. Tras el aislamiento de la coenzima A por Fritz Lipmann en 1945, quedaba pendiente esclarecer por qué mecanismo exacto se cargaba el grupo acetilo sobre el sulfhidrilo del cofactor. Lipmann y Feodor Lynen —que recibiría el Nobel en 1964 junto a Konrad Bloch— habían propuesto un modelo de tres pasos con un complejo enzima-AMP como intermediario.

Entre 1953 y 1956, un joven bioquímico estadounidense llamado Paul Berg, posdoctoral en el laboratorio de Arthur Kornberg en la Washington University de San Luis, purificó por primera vez la acetil-CoA sintetasa y caracterizó su mecanismo. Sus experimentos demostraron que el complejo AMP-enzima propuesto por Lipmann y Lynen no se formaba, y que la verdadera ruta pasaba por un intermediario distinto: el acetil-adenilato libre. La publicación de aquellos resultados refutó el modelo previo y describió por primera vez el mecanismo de adenilación que hoy se da por sentado en cualquier manual de bioquímica.

Berg extendió poco después el mismo principio —activación del sustrato como acil-AMP antes de la transferencia final— al estudio de la activación de aminoácidos por las aminoacil-tRNA sintetasas, contribución que abrió el camino a la comprensión bioquímica del código genético. Décadas más tarde, en 1980, recibiría el Premio Nobel de Química por sus trabajos sobre el ADN recombinante. La acetil-CoA sintetasa fue, en sentido estricto, la primera enzima de la familia adeniladora cuyo mecanismo se entendió por completo.

Diferenciación con enzimas similares

El nombre acetil-CoA sintetasa conviene reservarlo para la enzima EC 6.2.1.1 descrita arriba. Conviene distinguirla de varias enzimas próximas en función o en nomenclatura.

Acetil-CoA sintetasa (formadora de ADP), EC 6.2.1.13. Variante presente en arqueas, bacterias y algunos eucariotas inferiores que genera acetil-CoA produciendo ADP y fosfato libres, no AMP y pirofosfato. Es energéticamente más eficiente y se utiliza en organismos fermentativos. No se ha descrito en mamíferos.

Acetato cinasa + fosfotransacetilasa. Vía bacteriana alternativa para activar el acetato. La primera enzima fosforila el acetato a acetil-fosfato; la segunda transfiere el grupo acetilo desde el fosfato hasta el sulfhidrilo de la coenzima A. Es la ruta dominante en bacterias entéricas como Escherichia coli, pero no existe en células humanas.

Acetil-CoA carboxilasa. Enzima de nombre parecido pero función opuesta. No genera acetil-CoA: lo consume. Cataliza la carboxilación del acetil-CoA en presencia de biotina y ATP para producir malonil-CoA, primer paso comprometido de la síntesis de ácidos grasos.

Complejo de la piruvato deshidrogenasa. Vía cuantitativamente principal de formación de acetil-CoA en condiciones de buen aporte glucídico. No activa acetato libre, sino que descarboxila oxidativamente el piruvato. Su mecanismo y su regulación no tienen nada en común con los de la acetil-CoA sintetasa.

Acil-CoA sintetasas de cadena media y larga (ACSM, ACSL). Catalizan reacciones del mismo tipo (acil-AMP intermediario, formación de tioéster) pero con sustratos de mayor longitud: ácidos grasos de 6 a 20 carbonos, frente a los 2 carbonos del acetato. Comparten la arquitectura de dos dominios con la ACS y forman parte de la misma superfamilia adeniladora.

Preguntas frecuentes

¿Por qué se llama sintetasa y no sintasa?

Porque consume ATP. La nomenclatura bioquímica moderna reserva el nombre sintetasa para las enzimas que catalizan la unión de dos moléculas con hidrólisis simultánea de un nucleótido trifosfato, mientras que sintasa designa a las que unen sin gasto de nucleótido. La acetil-CoA sintetasa pertenece a las primeras: necesita ATP para activar el acetato, y la energía liberada por la hidrólisis del ATP impulsa la formación del enlace tioéster con la coenzima A.

¿De dónde procede el acetato que activa la enzima?

De varias fuentes. Una parte importante deriva del metabolismo del etanol: la alcohol deshidrogenasa lo oxida a acetaldehído y la acetaldehído deshidrogenasa lo lleva hasta acetato, que pasa a la circulación. Otra fracción procede de los ácidos grasos de cadena corta producidos por la microbiota intestinal a partir de la fermentación de la fibra alimentaria. Finalmente, el propio metabolismo celular genera acetato libre como subproducto de varias reacciones enzimáticas, y la ACS lo recupera en lugar de dejarlo perderse.

¿Qué diferencia hay entre la ACSS1 mitocondrial y la ACSS2 citosólica?

La diferencia es de localización y de destino metabólico. La ACSS1 genera acetil-CoA dentro de la mitocondria y lo dirige principalmente hacia la oxidación en el ciclo de Krebs y hacia la termogénesis adaptativa. La ACSS2 lo produce en el citosol —donde alimenta la síntesis de ácidos grasos y colesterol— y en el núcleo, donde aporta los grupos acetilo necesarios para la acetilación de histonas y la regulación epigenética. Las dos catalizan la misma reacción química, pero pertenecen a compartimentos celulares distintos y responden a estímulos fisiológicos diferentes.

¿Tiene relevancia clínica la regulación de ACSS2?

Es un campo de investigación activo. Numerosos estudios publicados desde 2014 han mostrado que ACSS2 se sobreexpresa en varios tipos tumorales —cáncer de mama triple negativo, glioma, carcinoma renal de células claras, hepatocarcinoma— donde permite que las células cancerosas utilicen acetato como fuente alternativa de carbono cuando la glucosa o la oxígeno escasean. La acumulación nuclear de ACSS2 mantiene la acetilación de histonas en regiones cromatínicas concretas y favorece la transcripción de genes implicados en supervivencia y autofagia. Por ahora ninguno de estos hallazgos se ha trasladado a la clínica como diana terapéutica aprobada.

¿Es la única manera de formar acetil-CoA en una célula humana?

No. Es solo una de varias vías, y cuantitativamente no la principal. En tejidos bien alimentados con glucosa, la mayor parte del acetil-CoA mitocondrial proviene del piruvato a través del complejo de la piruvato deshidrogenasa. En el hígado y el músculo, durante el ayuno o el ejercicio prolongado, la beta-oxidación de los ácidos grasos aporta cantidades aún mayores. La acetil-CoA sintetasa interviene cuando el sustrato disponible es acetato libre y no piruvato ni ácidos grasos de cadena larga: en el metabolismo del etanol, en la utilización del acetato microbiano del colon, en condiciones de privación de otras fuentes carbonadas.

Referencias

1. UniProt Consortium. Q9NR19 — Acetyl-coenzyme A synthetase, cytoplasmic (ACSS2), Homo sapiens. UniProt Knowledgebase.
2. Swiss Institute of Bioinformatics. ENZYME entry: EC 6.2.1.1 — acetate—CoA ligase. ExPASy.
3. Schekman R. Paul Berg: Recombinant DNA trailblazer. Proc Natl Acad Sci USA, PMC, National Library of Medicine.
4. BRENDA Enzyme Database. Information on EC 6.2.1.1 — acetate-CoA ligase. Technische Universität Braunschweig.