stringtranslate.com

Аденилатциклаза

Аденилатциклаза (EC 4.6.1.1, также широко известная как аденилциклаза и аденилатциклаза , сокращенно AC ) представляет собой фермент с систематическим названием АТФ-дифосфат-лиаза (циклизующая; 3',5'-циклическая-АМФ-образующая) . Он катализирует следующую реакцию:

АТФ = 3',5'-циклический АМФ + дифосфат

Он играет ключевую регуляторную роль практически во всех клетках . [2] Это наиболее полифилетический известный фермент : описаны шесть различных классов, все они катализируют одну и ту же реакцию, но представляют собой несвязанные семейства генов без известной последовательности или структурной гомологии . [3] Наиболее известным классом аденилатциклаз является класс III или AC-III (классы обозначаются римскими цифрами). AC-III широко встречается у эукариот и играет важную роль во многих тканях человека . [4]

Все классы аденилатциклазы катализируют превращение аденозинтрифосфата (АТФ) в 3',5'-циклический АМФ (цАМФ) и пирофосфат . [4] Ионы магния обычно необходимы и, по-видимому, тесно участвуют в ферментативном механизме. цАМФ, продуцируемый АЦ, затем служит регуляторным сигналом через специфические цАМФ-связывающие белки , факторы транскрипции , ферменты (например, цАМФ-зависимые киназы ) или переносчики ионов .

Аденилатциклаза катализирует превращение АТФ в 3',5'-циклический АМФ .

Классы

Класс I

Первый класс аденилатциклаз встречается во многих бактериях, включая E. coli (как CyaA P00936 [не связанный с ферментом класса II]). [4] Это был первый класс переменного тока, который был охарактеризован. Было замечено, что E. coli, лишенная глюкозы, вырабатывает цАМФ, который служит внутренним сигналом для активации экспрессии генов импорта и метаболизма других сахаров. цАМФ оказывает этот эффект путем связывания фактора транскрипции CRP , также известного как CAP. AC класса I представляют собой крупные цитозольные ферменты (~ 100 кДа) с большим регуляторным доменом (~ 50 кДа), который косвенно определяет уровень глюкозы. По состоянию на 2012 год кристаллическая структура класса I AC неизвестна.

Для этого класса доступна некоторая косвенная структурная информация. Известно, что N-концевая половина является каталитической частью и для нее необходимы два иона Mg 2+ . S103, S113, D114, D116 и W118 — пять абсолютно незаменимых остатков. Каталитический домен класса I ( Pfam PF12633) принадлежит к тому же суперсемейству ( Pfam CL0260), что и пальмовый домен ДНК-полимеразы бета ( Pfam PF18765). Выравнивание его последовательности по структуре с родственной архейной тРНК нуклеотидилтрансферазой CCA ( PDB : 1R89 ​) позволяет присвоить остаткам определенные функции: связывание γ-фосфата , структурную стабилизацию, мотив DxD для связывания ионов металлов и, наконец, связывание рибозы. [5]

Класс II

Эти аденилатциклазы представляют собой токсины, выделяемые патогенными бактериями, такими как Bacillus anthracis , Bordetella pertussis , Pseudomonas aeruginosa и Vibrio vulnificus во время инфекций. [6] Эти бактерии также секретируют белки, которые позволяют AC-II проникать в клетки-хозяева, где экзогенная активность AC подрывает нормальные клеточные процессы. Гены AC класса II известны как cyaA , один из которых представляет собой токсин сибирской язвы . Для ферментов AC-II известно несколько кристаллических структур. [7] [8] [9]

Класс III

Эти аденилатциклазы являются наиболее известными на основании обширных исследований из-за их важной роли в здоровье человека. Они также обнаружены у некоторых бактерий, особенно у Mycobacterium Tuberculosis , где они, по-видимому, играют ключевую роль в патогенезе. Большинство AC-III представляют собой интегральные мембранные белки, участвующие в преобразовании внеклеточных сигналов во внутриклеточные реакции. Нобелевская премия была присуждена Эрлу Сазерленду в 1971 году за открытие ключевой роли AC-III в печени человека, где адреналин косвенно стимулирует AC для мобилизации накопленной энергии в реакции «бей или беги». Эффект адреналина осуществляется через сигнальный каскад G-белка , который передает химические сигналы снаружи клетки через мембрану внутрь клетки ( цитоплазму ). Внешний сигнал (в данном случае адреналин) связывается с рецептором, который передает сигнал G-белку, который передает сигнал аденилатциклазе, которая передает сигнал путем преобразования аденозинтрифосфата в циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). цАМФ известен как второй мессенджер . [10]

Циклический АМФ является важной молекулой в эукариотической передаче сигнала , так называемым вторичным мессенджером . Аденилатциклазы часто активируются или ингибируются G-белками , которые связаны с мембранными рецепторами и, таким образом, могут реагировать на гормональные или другие стимулы. [11] После активации аденилатциклазы образующийся цАМФ действует как второй мессенджер, взаимодействуя и регулируя другие белки, такие как протеинкиназа А и ионные каналы, управляемые циклическими нуклеотидами . [11]

Фотоактивированная аденилатциклаза (PAC) была обнаружена у Euglena gracilis и может экспрессироваться в других организмах посредством генетических манипуляций. Освещение синим светом клетки, содержащей PAC, активирует ее и резко увеличивает скорость превращения АТФ в цАМФ. Это полезный метод для исследователей в области нейробиологии, поскольку он позволяет им быстро увеличивать внутриклеточные уровни цАМФ в отдельных нейронах и изучать влияние этого увеличения нейронной активности на поведение организма. [12] Недавно была разработана активируемая зеленым светом родопсин-аденилатциклаза (CaRhAC) путем модификации нуклеотидсвязывающего кармана родопсин- гуанилилциклазы .

Состав

Структура аденилатциклазы

Большинство аденилатциклаз III класса представляют собой трансмембранные белки с 12 трансмембранными сегментами. Белок состоит из 6 трансмембранных сегментов, затем цитоплазматического домена C1, затем еще 6 мембранных сегментов и второго цитоплазматического домена, называемого C2. Важными функциональными частями являются N-конец и области C1 и C2. Субдомены C1a и C2a гомологичны и образуют внутримолекулярный «димер», образующий активный центр. У Mycobacterium Tuberculosis и многих других бактериальных случаях полипептид AC-III короче вдвое и включает один 6-трансмембранный домен, за которым следует цитоплазматический домен, но два из них образуют функциональный гомодимер, который напоминает архитектуру млекопитающих с двумя активными центрами. В АЦ III класса неживотных каталитический цитоплазматический домен связан с другими (не обязательно трансмембранными) доменами. [13]

Домены аденилатциклазы класса III можно дополнительно разделить на четыре подсемейства, названных классами с IIIa по IIId. Мембраносвязанные АЦ животных относятся к классу IIIa. [13] : 1087 

Механизм

Реакция протекает с участием двух металлических кофакторов (Mg или Mn), координированных с двумя остатками аспартата на C1. Они осуществляют нуклеофильную атаку 3'-ОН-группы рибозы на α-фосфорильную группу АТФ. Два остатка лизина и аспартата на C2 отдают предпочтение АТФ в качестве субстрата, а не GTP, так что фермент не является гуанилилциклазой. Пара остатков аргинина и аспарагина на С2 стабилизирует переходное состояние. Тем не менее во многих белках эти остатки мутируют, сохраняя при этом активность аденилатциклазы. [13]

Типы

У млекопитающих известны десять изоформ аденилатциклазы :

Их также иногда называют просто AC1, AC2 и т. д., и, что несколько сбивает с толку, иногда для этих изоформ используются римские цифры, которые все принадлежат к общему классу AC III. Они различаются главным образом тем, как они регулируются, и по-разному экспрессируются в различных тканях на протяжении развития млекопитающих.

Регулирование

Аденилатциклаза регулируется G-белками, которые могут находиться в мономерной или гетеротримерной форме, состоящей из трех субъединиц. [2] [3] [4] Активность аденилатциклазы контролируется гетеротримерными G-белками. [2] [3] [4] Неактивная или ингибирующая форма существует, когда комплекс состоит из альфа-, бета- и гамма-субъединиц, при этом GDP связан с альфа-субъединицей. [2] [4] Чтобы стать активным, лиганд должен связаться с рецептором и вызвать конформационные изменения. [2] Это конформационное изменение приводит к тому, что альфа-субъединица отделяется от комплекса и связывается с GTP. [2] Этот комплекс G-альфа-GTP затем связывается с аденилатциклазой и вызывает активацию и высвобождение цАМФ. [2] Поскольку хороший сигнал требует помощи ферментов, которые быстро включают и выключают сигналы, также должен существовать механизм, при котором аденилатциклаза деактивирует и ингибирует цАМФ. [2] Деактивация активного комплекса G-альфа-ГТФ быстро осуществляется путем гидролиза ГТФ, поскольку реакция катализируется собственной ферментативной активностью ГТФазы, расположенной в альфа-субъединице. [2] Он также регулируется форсколином , [11] , а также другими эффекторами, специфичными для изоформ:

В нейронах кальций-чувствительные аденилатциклазы расположены рядом с кальциевыми ионными каналами для более быстрой реакции на приток Са 2+ ; их подозревают в том, что они играют важную роль в процессах обучения. Это подтверждается тем фактом, что аденилатциклазы являются детекторами совпадений , то есть они активируются только несколькими различными сигналами, возникающими вместе. [15] В периферических клетках и тканях аденилатциклазы, по-видимому, образуют молекулярные комплексы со специфическими рецепторами и другими сигнальными белками изоформ-специфичным образом.

Функция

Отдельные трансмембранные изоформы аденилатциклазы связаны с многочисленными физиологическими функциями. [16] Растворимая аденилатциклаза (sAC, AC10) играет решающую роль в подвижности сперматозоидов. [17] Аденилатциклаза участвует в формировании памяти, действуя как детектор совпадений . [11] [15] [18] [19] [20]

Класс IV

AC-IV был впервые обнаружен у бактерии Aeromonas Hydrophila , а также описана структура AC-IV из Yersinia pestis . Это самые маленькие из классов ферментов AC; AC-IV (CyaB) из Yersinia представляет собой димер из субъединиц массой 19 кДа без известных регуляторных компонентов ( PDB : 2FJT ). [21] AC-IV образует суперсемейство с тиаминтрифосфатазой млекопитающих , называемое CYTH (CyaB, тиаминтрифосфатаза). [22]

Классы V и VI

Эти формы АЦ были обнаружены у конкретных бактерий ( Prevotella ruminicola O68902 и Rhizobium etli Q8KY20 соответственно) и не были подробно охарактеризованы. [23] Известно, что есть еще несколько членов (около 400 в Pfam), принадлежащих к классу VI. Ферменты класса VI обладают каталитическим ядром, аналогичным таковому в классе III. [24]

Дополнительные изображения

Рекомендации

  1. ^ «PDB101: Молекула месяца: G-белки» . RCSB: PDB-101 . Проверено 24 августа 2020 г.
  2. ^ abcdefghi Хэнкок, Джон (2010). Сотовая сигнализация . стр. 189–195.
  3. ^ abc Садана Р., Дессауэр CW (февраль 2009 г.). «Физиологическая роль изоформ аденилатциклазы, регулируемой G-белком: результаты исследований нокаута и сверхэкспрессии». Нейросигналы . 17 (1): 5–22. дои : 10.1159/000166277. ПМК 2790773 . ПМИД  18948702. 
  4. ^ abcdef Чжан Г., Лю Ю, Руохо А.Е., Херли Дж.Х. (март 1997 г.). «Структура каталитического ядра аденилатциклазы». Природа . 386 (6622): 247–253. Бибкод : 1997Natur.386..247Z. дои : 10.1038/386247a0. PMID  9069282. S2CID  4329051.
  5. ^ Линдер Ю. (ноябрь 2008 г.). «Структурно-функциональные взаимоотношения в аденилатциклазе Escherichia coli». Биохимический журнал . 415 (3): 449–454. дои : 10.1042/BJ20080350. ПМИД  18620542.(выравнивание)
  6. ^ Ахуджа Н. , Кумар П., Бхатнагар Р. (2004). «Аденилатциклазные токсины». Критические обзоры по микробиологии . 30 (3): 187–196. дои : 10.1080/10408410490468795. PMID  15490970. S2CID  23893594.
  7. ^ Ханппнавар Б., Датта С. (сентябрь 2018 г.). «Кристаллическая структура и субстратная специфичность ExoY, уникального T3SS-опосредованного секретируемого токсина нуклеотидилциклазы из Pseudomonas aeruginosa». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Общие предметы . 1862 (9): 2090–2103. doi :10.1016/j.bbagen.2018.05.021. PMID  29859257. S2CID  44151852.
  8. ^ Го Q, Шен Ю, Ли Ю.С., Гиббс К.С., Мрксич М., Тан В.Дж. (сентябрь 2005 г.). «Структурные основы взаимодействия токсина аденилатциклазы Bordetella pertussis с кальмодулином». Журнал ЭМБО . 24 (18): 3190–3201. дои : 10.1038/sj.emboj.7600800. ПМК 1224690 . ПМИД  16138079. 
  9. ^ Драм CL, Ян С.З., Бард Дж., Шен YQ, Лу Д., Сулайман С. и др. (январь 2002 г.). «Структурная основа активации экзотоксина аденилатциклазы сибирской язвы кальмодулином». Природа . 415 (6870): 396–402. Бибкод : 2002Natur.415..396D. дои : 10.1038/415396a. PMID  11807546. S2CID  773562.
  10. ^ Рис Дж., Кэмпбелл Н. (2002). Биология . Сан-Франциско: Бенджамин Каммингс. стр. 207. ISBN. 978-0-8053-6624-2.
  11. ^ abcdefgh Ханун Дж., Дефер Н. (апрель 2001 г.). «Регуляция и роль изоформ аденилатциклазы». Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии . 41 (1): 145–174. doi :10.1146/annurev.pharmtox.41.1.145. ПМИД  11264454.
  12. ^ Шредер-Ланг С., Шварцель М., Зайферт Р., Стрюнкер Т., Катерия С., Лузер Дж. и др. (январь 2007 г.). «Быстрое манипулирование уровнем клеточного цАМФ с помощью света in vivo». Природные методы . 4 (1): 39–42. дои : 10.1038/nmeth975. PMID  17128267. S2CID  10616442.
  13. ^ abc Линдер Ю., Шульц Дж. Э. (декабрь 2003 г.). «Аденилатциклазы III класса: многоцелевые сигнальные модули». Сотовая сигнализация . 15 (12): 1081–1089. дои : 10.1016/s0898-6568(03)00130-x. ПМИД  14575863.
  14. ^ Рахман Н., Бак Дж., Левин Л.Р. (ноябрь 2013 г.). «Измерение pH с помощью регулируемой бикарбонатом «растворимой» аденилатциклазы (sAC)». Границы в физиологии . 4 : 343. doi : 10.3389/fphys.2013.00343 . ПМЦ 3838963 . ПМИД  24324443. 
  15. ^ аб Хоган Д.А., Мюльшлегель Ф.А. (декабрь 2011 г.). «Регуляция развития Candida albicans: аденилатциклаза как детектор совпадений параллельных сигналов». Современное мнение в микробиологии . 14 (6): 682–686. дои : 10.1016/j.mib.2011.09.014. ПМИД  22014725.
  16. ^ Остром К.Ф., ЛаВинь Дж.Э., Бруст Т.Ф., Зейферт Р., Дессауэр К.В., Уоттс В.Дж., Остром Р.С. (апрель 2022 г.). «Физиологическая роль изоформ трансмембранной аденилатциклазы млекопитающих». Физиологические обзоры . 102 (2): 815–857. doi : 10.1152/physrev.00013.2021. ПМЦ 8759965 . ПМИД  34698552. 
  17. ^ Эспозито Г., Джайсвал Б.С., Се Ф., Крайнц-Франкен М.А., Роббен Т.Дж., Стрик А.М. и др. (март 2004 г.). «Мыши с дефицитом растворимой аденилатциклазы бесплодны из-за серьезного нарушения подвижности сперматозоидов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (9): 2993–2998. Бибкод : 2004PNAS..101.2993E. дои : 10.1073/pnas.0400050101 . ПМЦ 365733 . ПМИД  14976244. 
  18. ^ Уиллоуби Д., Купер Д.М. (июль 2007 г.). «Организация и Ca2+-регуляция аденилатциклаз в микродоменах цАМФ». Физиологические обзоры . 87 (3): 965–1010. CiteSeerX 10.1.1.336.3746 . doi :10.1152/physrev.00049.2006. ПМИД  17615394. 
  19. ^ Монс Н., Гийу Дж.Л., Джаффард Р. (апрель 1999 г.). «Роль Ca2+/кальмодулин-стимулируемых аденилатциклаз как детекторов молекулярных совпадений в формировании памяти». Клеточные и молекулярные науки о жизни . 55 (4): 525–533. дои : 10.1007/s000180050311. ПМЦ 11147090 . PMID  10357223. S2CID  10849274. 
  20. ^ Неве К.А., Симанс Дж.К., Трэнтэм-Дэвидсон Х (август 2004 г.). «Передача сигналов дофаминовых рецепторов». Журнал исследований рецепторов и передачи сигналов . 24 (3): 165–205. CiteSeerX 10.1.1.465.5011 . doi : 10.1081/RRS-200029981. PMID  15521361. S2CID  12407397. 
  21. ^ Галлахер Д.Т., Смит Н.Н., Ким С.К., Геро А., Робинсон Х., Редди П.Т. (сентябрь 2006 г.). «Структура аденилатциклазы класса IV обнаруживает новую складку». Журнал молекулярной биологии . 362 (1): 114–122. дои : 10.1016/j.jmb.2006.07.008. ПМИД  16905149.
  22. ^ Кон Г., Дельво Д., Лакай Б., Серве AC, Шолер Г., Филле М. и др. (2012). «Высокая активность неорганической трифосфатазы в бактериях и клетках млекопитающих: идентификация задействованных ферментов». ПЛОС ОДИН . 7 (9): e43879. Бибкод : 2012PLoSO...743879K. дои : 10.1371/journal.pone.0043879 . ПМЦ 3440374 . ПМИД  22984449. 
  23. ^ Котта М.А., Уайтхед Т.Р., Уиллер М.Б. (июль 1998 г.). «Идентификация новой аденилатциклазы в рубцовом анаэробе Prevotella ruminicola D31d». Письма FEMS по микробиологии . 164 (2): 257–260. дои : 10.1111/j.1574-6968.1998.tb13095.x . ПМИД  9682474.Генбанк AF056932.
  24. ^ Тельес-Соса Дж., Соберон Н., Вега-Сегура А., Торрес-Маркес М.Э., Севальос М.А. (июль 2002 г.). «Продукт Rhizobium etli cyaC: характеристика нового класса аденилатциклазы». Журнал бактериологии . 184 (13): 3560–3568. дои : 10.1128/jb.184.13.3560-3568.2002. ПМЦ 135151 . ПМИД  12057950. Генбанк AF299113.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме аденилатциклазы .