Cyklaza adenylylowa - Adenylyl cyclase

Cyklaza adenylylowa
Trimer cyklazy adenylanowej (wrażliwy na kalmodulinę), Bacillus anthracis Epinefryna wiąże swój receptor, który łączy się z heterotrimerycznym białkiem G. Białko G łączy się z cyklazą adenylylową, która przekształca ATP w cAMP, rozprzestrzeniając sygnał.
Identyfikatory
Nr WE	4.6.1.1
Nr CAS	9012-42-4
Bazy danych
IntEnz	Widok IntEnz
BRENDA	Wpis BRENDY
ExPASy	Widok NiceZyme
KEGG	Wpis KEGG
MetaCyc	szlak metaboliczny
PRIAM	profil
Struktury WPB	RCSB PDB PDBe Suma PDB
Ontologia genów	AmiGO / QuickGO
Szukaj PKW artykuły PubMed artykuły NCBI białka

Cyklaza adenylowa ( EC 4.6.1.1 , powszechnie znana również jako cyklaza adenylowa i cyklaza adenylanowa , w skrócie AC ) jest enzymem pełniącym kluczową rolę regulacyjną we wszystkich komórkach . Jest to najbardziej polifiletyczny znany enzym: opisano sześć odrębnych klas, z których wszystkie katalizują tę samą reakcję, ale reprezentują niespokrewnione rodziny genów bez znanej sekwencji lub homologii strukturalnej . Najbardziej znaną klasą cyklaz adenylylowych jest klasa III lub AC-III (liczby rzymskie są używane dla klas). AC-III występuje powszechnie u eukariontów i odgrywa ważną rolę w wielu tkankach ludzkich .

Wszystkie klasy cyklazy adenylylowej katalizują konwersję adenozynotrifosforanu (ATP) do 3',5'-cyklicznego AMP (cAMP) i pirofosforanu . Jony magnezu są na ogół wymagane i wydają się być ściśle zaangażowane w mechanizm enzymatyczny. cAMP wytwarzany przez AC służy następnie jako sygnał regulacyjny poprzez specyficzne białka wiążące cAMP , czynniki transkrypcyjne , enzymy (np. kinazy zależne od cAMP ) lub transportery jonów .

Cyklaza adenylylowa katalizuje konwersję ATP do 3',5'-cyklicznego AMP .

Klasy

Klasa I

Pierwsza klasa cyklaz adenylylowych występuje w wielu bakteriach, w tym E. coli (jako CyaA P00936 [niezwiązany z enzymem Klasy II]). Była to pierwsza scharakteryzowana klasa AC. Zaobserwowano, że E. coli pozbawiona glukozy wytwarza cAMP, który służy jako wewnętrzny sygnał aktywujący ekspresję genów do importowania i metabolizowania innych cukrów. cAMP wywiera ten efekt poprzez wiązanie czynnika transkrypcyjnego CRP , znanego również jako CAP. AC klasy I to duże enzymy cytozolowe (~100 kDa) z dużą domeną regulatorową (~50 kDa), która pośrednio wykrywa poziom glukozy. Od 2012 roku nie ma struktury krystalicznej dla klasy I AC.

Dla tej klasy dostępne są pewne pośrednie informacje strukturalne. Wiadomo, że część N-końcowa jest częścią katalityczną i wymaga dwóch jonów Mg ²⁺ . S103, S113, D114, D116 i W118 to pięć absolutnie niezbędnych reszt. Domena katalityczna klasy I ( Pfam PF12633 ) należy do tej samej nadrodziny ( Pfam CL0260 ) co domena dłoni polimerazy beta DNA ( Pfam PF18765 ). Dopasowanie jego sekwencji do struktury na pokrewną nukleotydylotransferazę tRNA archeonów CCA ( PDB : 1R89 ) pozwala na przypisanie reszt do określonych funkcji: wiązania γ-fosforanu , stabilizacji strukturalnej, motywu DxD do wiązania jonów metali i wreszcie wiązania rybozy.

Klasa II

Te cyklazy adenylylowe są toksynami wydzielanymi przez bakterie chorobotwórcze, takie jak Bacillus anthracis , Bordetella pertussis , Pseudomonas aeruginosa i Vibrio vulnificus podczas infekcji. Bakterie te wydzielają również białka, które umożliwiają AC-II wnikanie do komórek gospodarza, gdzie egzogenna aktywność AC podważa normalne procesy komórkowe. Geny AC klasy II są znane jako cyaA , z których jednym jest toksyna wąglika . Dla enzymów AC-II znanych jest kilka struktur krystalicznych.

Klasa III

Te cyklazy adenylylowe są najbardziej znane w oparciu o szeroko zakrojone badania ze względu na ich ważną rolę w zdrowiu człowieka. Występują również w niektórych bakteriach, zwłaszcza Mycobacterium tuberculosis, gdzie wydają się odgrywać kluczową rolę w patogenezie. Większość AC-III to integralne białka błonowe zaangażowane w przekazywanie sygnałów zewnątrzkomórkowych do odpowiedzi wewnątrzkomórkowych. W 1971 Earl Sutherland otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie kluczowej roli AC-III w ludzkiej wątrobie, gdzie adrenalina pośrednio stymuluje AC do mobilizacji zmagazynowanej energii w odpowiedzi „walcz lub uciekaj”. Działanie adrenaliny polega na kaskadzie sygnalizacyjnej białka G , która przekazuje sygnały chemiczne z zewnątrz komórki przez błonę do wnętrza komórki ( cytoplazma ). Sygnał zewnętrzny (w tym przypadku adrenalina) wiąże się z receptorem, który przekazuje sygnał do białka G, które przekazuje sygnał do cyklazy adenylylowej, która przekazuje sygnał poprzez konwersję adenozynotrójfosforanu do cyklicznego adenozynomonofosforanu (cAMP). cAMP jest znany jako drugi komunikator .

Cykliczny AMP jest ważną cząsteczką w transdukcji sygnału eukariotycznego , tzw. drugim przekaźnikiem . Cyklazy adenylylowe są często aktywowane lub hamowane przez białka G , które są sprzężone z receptorami błonowymi, dzięki czemu mogą reagować na bodźce hormonalne lub inne. Po aktywacji cyklazy adenylylowej powstały cAMP działa jako drugi przekaźnik poprzez interakcję i regulację innych białek, takich jak kinaza białkowa A i kanały jonowe bramkowane cyklicznymi nukleotydami .

Fotoaktywowana cyklaza adenylylowa (PAC) została odkryta w Euglena gracilis i może ulegać ekspresji w innych organizmach poprzez manipulacje genetyczne. Świecenie niebieskim światłem na komórkę zawierającą PAC aktywuje ją i gwałtownie zwiększa szybkość konwersji ATP do cAMP. Jest to technika użyteczna dla naukowców zajmujących się neuronauką, ponieważ pozwala im szybko zwiększyć wewnątrzkomórkowy poziom cAMP w poszczególnych neuronach i zbadać wpływ tego wzrostu aktywności neuronalnej na zachowanie organizmu. Aktywowana zielonym światłem cyklaza adenylylowa rodopsyny (CaRhAC) została ostatnio opracowana przez modyfikację kieszeni wiążącej nukleotydy cyklazy guanylylowej rodopsyny .

Struktura

Struktura cyklazy adenylylowej

Większość cyklaz adenylylowych klasy III to białka transbłonowe z 12 segmentami transbłonowymi. Białko składa się z 6 segmentów transbłonowych, następnie domeny cytoplazmatycznej C1, następnie kolejnych 6 segmentów błonowych, a następnie drugiej domeny cytoplazmatycznej zwanej C2. Ważnymi częściami dla funkcji są N-koniec oraz regiony C1 i C2. Poddomeny C1a i C2a są homologiczne i tworzą wewnątrzcząsteczkowy „dimer”, który tworzy miejsce aktywne. W Mycobacterium tuberculosis i wielu innych przypadkach bakteryjnych, polipeptyd AC-III jest tylko o połowę krótszy, zawiera jedną domenę 6-transbłonową, po której następuje domena cytoplazmatyczna, ale dwie z nich tworzą funkcjonalny homodimer, który przypomina ssaczą architekturę z dwoma aktywnymi miejscami. W AC klasy III innych niż zwierzęce, katalityczna domena cytoplazmatyczna jest powiązana z innymi (niekoniecznie przezbłonowymi) domenami.

Domeny cyklazy adenylylowej klasy III można dalej podzielić na cztery podrodziny, określane jako klasy IIIa do IIId. AC związane z błoną zwierzęcą należą do klasy IIIa.

Mechanizm

Reakcja zachodzi z dwoma metalowymi kofaktorami (Mg lub Mn) skoordynowanymi z dwoma resztami asparaginianowymi na C1. Wykonują atak nukleofilowy grupy 3'-OH rybozy na grupę α-fosforylową ATP. Dwie reszty lizyny i asparaginianu na C2 wybierają jako substrat ATP nad GTP, tak że enzym nie jest cyklazą guanylilową. Para reszt argininy i asparaginy na C2 stabilizuje stan przejściowy. W wielu białkach reszty te są jednak zmutowane, zachowując aktywność cyklazy adenylowej.

Rodzaje

Istnieje dziesięć znanych izoform cyklaz adenylylowych u ssaków :

Są one również czasami nazywane po prostu AC1, AC2 itd., i, nieco myląco, czasami dla tych izoform, które należą do ogólnej klasy AC III, stosuje się cyfry rzymskie. Różnią się głównie sposobem, w jaki są regulowane i ulegają zróżnicowanej ekspresji w różnych tkankach podczas rozwoju ssaków.

Rozporządzenie

Cyklaza adenylylowa jest regulowana przez białka G, które występują w postaci monomerycznej lub heterotrimerycznej, składającej się z trzech podjednostek. Aktywność cyklazy adenylylowej jest kontrolowana przez heterotrimeryczne białka G. Forma nieaktywna lub hamująca występuje, gdy kompleks składa się z podjednostek alfa, beta i gamma, z GDP związanym z podjednostką alfa. Aby stać się aktywnym, ligand musi związać się z receptorem i spowodować zmianę konformacyjną. Ta zmiana konformacyjna powoduje, że podjednostka alfa dysocjuje od kompleksu i wiąże się z GTP. Ten kompleks G-alfa-GTP wiąże się następnie z cyklazą adenylylową i powoduje aktywację oraz uwalnianie cAMP. Ponieważ dobry sygnał wymaga pomocy enzymów, które szybko włączają i wyłączają sygnały, musi istnieć również mechanizm, w którym cyklaza adenylylowa dezaktywuje i hamuje cAMP. Dezaktywacja aktywnego kompleksu G-alfa-GTP następuje szybko przez hydrolizę GTP, ponieważ reakcja jest katalizowana przez wewnętrzną aktywność enzymatyczną GTPazy zlokalizowanej w podjednostce alfa. Jest również regulowany przez forskolinę , a także inne efektory specyficzne dla izoform:

• Izoformy I, III i VIII są również stymulowane przez Ca2 ⁺ / kalmodulinę .
• Izoformy V i VI są hamowane przez Ca2 ⁺ w sposób niezależny od kalmoduliny.
• Izoformy II, IV i IX są stymulowane przez podjednostkę alfa białka G.
• Izoformy I, V i VI są najwyraźniej hamowane przez Gi, podczas gdy inne izoformy wykazują mniej podwójnej regulacji przez hamujące białko G.
• Rozpuszczalny AC (sAC) nie jest formą transbłonową i nie jest regulowany przez białka G ani forskolinę, działa jako czujnik wodorowęglanu/pH. Jest zakotwiczony w różnych miejscach w komórce i wraz z fosfodiesterazami tworzy lokalne domeny sygnałowe cAMP.

W neuronach , wrażliwe na wapń cyklazy adenylylowe znajdują się obok kanałów jonów wapniowych , co zapewnia szybszą reakcję na dopływ Ca ²⁺ ; podejrzewa się, że odgrywają ważną rolę w procesach uczenia się. Potwierdza to fakt, że cyklazy adenylylowe są detektorami koincydencji , co oznacza, że ​​są aktywowane tylko przez kilka różnych sygnałów występujących razem. W komórkach i tkankach obwodowych cyklazy adenylylowe wydają się tworzyć kompleksy molekularne ze specyficznymi receptorami i innymi białkami sygnałowymi w sposób specyficzny dla izoformy.

Funkcjonować

Cyklaza adenylylowa została zaangażowana w tworzenie pamięci, działając jako detektor koincydencji .

Klasa IV

AC-IV po raz pierwszy opisano w bakterii Aeromonas hydrophila , a strukturę AC-IV z Yersinia pestis opisano. Są to najmniejsze z klas enzymów AC; AC-IV (CyaB) z Yersinia jest dimerem podjednostek 19 kDa bez znanych składników regulatorowych ( PDB : 2FJT ). AC-IV tworzy nadrodzinę z trifosfatazą tiaminy ssaków zwaną CYTH (CyaB, trifosfataza tiaminy).

Klasy V i VI

Te formy AC zostały zgłoszone u określonych bakterii (odpowiednio Prevotella ruminicola O68902 i Rhizobium etli Q8KY20 ) i nie zostały szczegółowo scharakteryzowane. Jest kilku dodatkowych członków (~400 w Pfam), o których wiadomo, że są w klasie VI. Enzymy klasy VI posiadają rdzeń katalityczny podobny do tego w klasie III.

Dodatkowe obrazy

• 

  Szlak kinazy receptora beta-adrenergicznego

Bibliografia

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

• Adenylyl + cyklaza w Narodowej Bibliotece Medycznej USA Medical Subject Headings (MeSH)
• Interaktywne widoki 3D cyklazy adenylanowej w Proteopedia Adenylyl_cyclase