stringtranslate.com

Аденилатциклаза

Аденилатциклаза (EC 4.6.1.1, также широко известная как аденилциклаза и аденилатциклаза , сокращенно AC ) — фермент с систематическим названием АТФ-дифосфат-лиаза (циклизирующая; 3′,5′-цикло-АМФ-образующая) . Она катализирует следующую реакцию:

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

Он играет ключевую регуляторную роль практически во всех клетках . [2] Это наиболее полифилетический из известных ферментов : описано шесть различных классов, все из которых катализируют одну и ту же реакцию, но представляют собой неродственные семейства генов без известной последовательности или структурной гомологии . [3] Наиболее известный класс аденилатциклаз — это класс III или AC-III (для обозначения классов используются римские цифры). AC-III широко распространен 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 , как правило, необходимы и, по-видимому, тесно вовлечены в ферментативный механизм. ЦАМФ, продуцируемый АЦ, затем служит регуляторным сигналом через специфические белки , связывающие цАМФ , либо факторы транскрипции , ферменты (например, цАМФ-зависимые киназы ), либо ионные транспортеры .

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 AC, который был охарактеризован. Было замечено, что E. coli, лишенные глюкозы, производят цАМФ, который служит внутренним сигналом для активации экспрессии генов для импорта и метаболизма других сахаров. цАМФ оказывает этот эффект, связывая фактор транскрипции CRP , также известный как CAP. AC класса I представляют собой крупные цитозольные ферменты (~100 кДа) с большим регуляторным доменом (~50 кДа), который косвенно определяет уровни глюкозы. По состоянию на 2012 год кристаллическая структура для AC класса I недоступна.

Для этого класса доступна некоторая косвенная структурная информация. Известно, что N-концевая половина является каталитической частью, и что для нее требуются два иона Mg2 + . S103, S113, D114, D116 и W118 являются пятью абсолютно необходимыми остатками. Каталитический домен класса I ( Pfam PF12633) принадлежит к тому же суперсемейству ( Pfam CL0260), что и домен пальмы ДНК-полимеразы бета ( Pfam PF18765). Выравнивание его последовательности на структуру на родственной архейной CCA тРНК нуклеотидилтрансферазе ( PDB : 1R89 ) позволяет назначать остатки на определенные функции: связывание γ-фосфата , структурная стабилизация, мотив DxD для связывания ионов металла и, наконец, связывание рибозы. [5]

Класс II

Эти аденилатциклазы являются токсинами, выделяемыми патогенными бактериями, такими как Bacillus anthracis , Bordetella pertussis , Pseudomonas aeruginosa и Vibrio vulnificus во время инфекций. [6] Эти бактерии также выделяют белки, которые позволяют AC-II проникать в клетки хозяина, где экзогенная активность AC подрывает нормальные клеточные процессы. Гены для AC II класса известны как cyaA , один из которых является токсином сибирской язвы . Известно несколько кристаллических структур ферментов AC-II. [7] [8] [9]

Класс III

Эти аденилатциклазы являются наиболее известными на основе обширных исследований из-за их важной роли в здоровье человека. Они также обнаружены в некоторых бактериях, в частности, Mycobacterium tuberculosis, где они, по-видимому, играют ключевую роль в патогенезе. Большинство AC-III являются интегральными мембранными белками, участвующими 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 запасенной энергии в ответе «бей или беги». Действие адреналина осуществляется через каскад сигналов G-белка , который передает химические сигналы извне 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 вторичный 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, полученный цАМФ действует как вторичный мессенджер, взаимодействуя и регулируя другие белки, такие как протеинкиназа А и циклические нуклеотид-зависимые ионные каналы . [11]

Фотоактивируемая аденилатциклаза (PAC) была обнаружена в Euglena gracilis и может быть выражена 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 определенных 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 .

Структура

Структура аденилатциклазы

Большинство аденилатциклаз класса III являются трансмембранными белками с 12 трансмембранными сегментами. Белок организован с 6 трансмембранными сегментами, затем цитоплазматическим доменом C1, затем еще 6 мембранными сегментами, а затем вторым цитоплазматическим доменом, называемым C2. Важными частями для функции являются N-конец и области C1 и C2. Субдомены C1a и C2a гомологичны и образуют внутримолекулярный «димер», который образует активный сайт. У Mycobacterium tuberculosis и многих других бактериальных случаев полипептид AC-III имеет только половину длины, включая один 6-трансмембранный домен, за которым следует цитоплазматический домен, но два из них образуют функциональный гомодимер, который напоминает архитектуру млекопитающих с двумя активными сайтами. У AC класса III неживотных каталитический цитоплазматический домен виден связанным с другими (не обязательно трансмембранными) доменами. [13]

Домены аденилатциклазы класса III можно далее разделить на четыре подсемейства, называемые классами IIIa и IIId. Связанные с мембраной АЦ животных относятся к классу IIIa. [13] : 1087 

Механизм

Реакция происходит с двумя металлическими кофакторами (Mg или Mn), координированными с двумя остатками аспартата на C1. Они выполняют нуклеофильную атаку 3'-ОН группы рибозы на α-фосфорильной группе АТФ. Два остатка лизина и аспартата на C2 выбирают АТФ вместо ГТФ для субстрата, так что фермент не является гуанилатциклазой. Пара остатков аргинина и аспарагина на C2 стабилизирует переходное состояние. Во многих белках эти остатки, тем не менее, мутируют, сохраняя активность аденилатциклазы. [13]

Типы

У млекопитающих известно десять изоформ аденилатциклаз :

Иногда их также 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 в основном 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 форме 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 конформационное изменение. [2] Это конформационное изменение заставляет альфа-субъединицу диссоциировать от комплекса и связываться с GTP. [2] Затем этот комплекс G-альфа-GTP связывается с аденилатциклазой и вызывает активацию и высвобождение цАМФ. [2] Поскольку хороший сигнал требует помощи ферментов, которые быстро включают и выключают сигналы, также должен быть механизм, в котором аденилатциклаза дезактивирует и ингибирует цАМФ. [2] Дезактивация активного комплекса G-альфа-ГТФ осуществляется быстро путем гидролиза ГТФ из-за реакции, катализируемой внутренней ферментативной активностью ГТФазы, расположенной в альфа-субъединице. [2] Она 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 Ca 2+ ; предполагается, что они играют важную роль в процессах обучения. Это подтверждается тем фактом, что аденилатциклазы являются детекторами совпадений , что означает, что они активируются только несколькими различными сигналами, происходящими вместе. [15] В периферических клетках и тканях аденилатциклазы, по-видимому, образуют молекулярные комплексы со специфическими рецепторами и другими сигнальными белками в изоформ-специфической манере.

Функция

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

Класс IV

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

Классы V и VI

Эти формы AC были зарегистрированы в определенных бактериях ( Prevotella ruminicola O68902 и Rhizobium etli Q8KY20 , соответственно) и не были подробно охарактеризованы. [23] Существует несколько дополнительных членов (~400 в Pfam), которые, как известно, относятся к классу VI. Ферменты класса VI обладают каталитическим ядром, аналогичным ядру в классе III. [24]

Дополнительные изображения

Ссылки

  1. ^ "PDB101: Молекула месяца: G-белки". RCSB: PDB-101 . Получено 24 августа 2020 г. .
  2. ^ abcdefghi Хэнкок, Джон (2010). Клеточная сигнализация . С. 189–195.
  3. ^ abc Sadana R, Dessauer CW (февраль 2009 г.). «Физиологическая роль изоформ аденилатциклазы, регулируемых G-белком: выводы из исследований нокаута и сверхэкспрессии». Neuro-Signals . 17 (1): 5–22. doi :10.1159/000166277. PMC 2790773 . PMID  18948702. 
  4. ^ abcdef Zhang G, Liu Y, Ruoho AE, Hurley JH (март 1997). «Структура каталитического ядра аденилатциклазы». Nature . 386 (6622): 247–253. Bibcode :1997Natur.386..247Z. doi :10.1038/386247a0. PMID  9069282. S2CID  4329051.
  5. ^ Линдер Дж. У. (ноябрь 2008 г.). «Структурно-функциональная связь в аденилатциклазе Escherichia coli». Биохимический журнал . 415 (3): 449–454. doi :10.1042/BJ20080350. PMID  18620542.(выравнивание)
  6. ^ Ахуджа Н. , Кумар П., Бхатнагар Р. (2004). «Токсины аденилатциклазы». Критические обзоры по микробиологии . 30 (3): 187–196. doi :10.1080/10408410490468795. PMID  15490970. S2CID  23893594.
  7. ^ Khanppnavar B, Datta S (сентябрь 2018 г.). «Кристаллическая структура и субстратная специфичность ExoY, уникального опосредованного T3SS секретируемого токсина нуклеотидилциклазы из Pseudomonas aeruginosa». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Общие предметы . 1862 (9): 2090–2103. doi :10.1016/j.bbagen.2018.05.021. PMID  29859257. S2CID  44151852.
  8. ^ Guo Q, Shen Y, Lee YS, Gibbs CS, Mrksich M, Tang WJ (сентябрь 2005 г.). «Структурная основа взаимодействия токсина аденилилциклазы Bordetella pertussis с кальмодулином». The EMBO Journal . 24 (18): 3190–3201. doi :10.1038/sj.emboj.7600800. PMC 1224690. PMID  16138079 . 
  9. ^ Drum CL, Yan SZ, Bard J, Shen YQ, Lu D, Soelaiman S и др. (январь 2002 г.). «Структурная основа активации экзотоксина аденилатциклазы сибирской язвы кальмодулином». Nature . 415 (6870): 396–402. Bibcode :2002Natur.415..396D. doi :10.1038/415396a. PMID  11807546. S2CID  773562.
  10. ^ Reece J, Campbell N (2002). Биология . Сан-Франциско: Benjamin Cummings. С. 207. ISBN 978-0-8053-6624-2.
  11. ^ abcdefgh Ханун Дж, Дефер Н (апрель 2001 г.). «Регулирование и роль изоформ аденилатциклазы». Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии . 41 (1): 145–174. doi :10.1146/annurev.pharmtox.41.1.145. PMID  11264454.
  12. ^ Schröder-Lang S, Schwärzel M, Seifert R, Strünker T, Kateriya S, Looser J, et al. (Январь 2007). «Быстрая манипуляция уровнем клеточного цАМФ с помощью света in vivo». Nature Methods . 4 (1): 39–42. doi :10.1038/nmeth975. PMID  17128267. S2CID  10616442.
  13. ^ abc Linder JU, Schultz JE (декабрь 2003 г.). «Аденилатциклазы класса III: многоцелевые сигнальные модули». Cellular Signalling . 15 (12): 1081–1089. doi :10.1016/s0898-6568(03)00130-x. PMID  14575863.
  14. ^ Rahman N, Buck J, Levin LR (ноябрь 2013 г.). "pH-сенсорика с помощью регулируемой бикарбонатом "растворимой" аденилатциклазы (sAC)". Frontiers in Physiology . 4 : 343. doi : 10.3389/fphys.2013.00343 . PMC 3838963. PMID  24324443. 
  15. ^ ab Hogan DA, Muhlschlegel FA (декабрь 2011 г.). «Регуляция развития Candida albicans: аденилатциклаза как детектор совпадений параллельных сигналов». Current Opinion in Microbiology . 14 (6): 682–686. doi :10.1016/j.mib.2011.09.014. PMID  22014725.
  16. ^ Ostrom KF, LaVigne JE, Brust TF, Seifert R, Dessauer CW, Watts VJ, Ostrom RS (апрель 2022 г.). «Физиологическая роль изоформ трансмембранной аденилатциклазы млекопитающих». Physiological Reviews . 102 (2): 815–857. doi :10.1152/physrev.00013.2021. PMC 8759965 . PMID  34698552. 
  17. ^ Esposito G, Jaiswal BS, Xie F, Krajnc-Franken MA, Robben TJ, Strik AM и др. (март 2004 г.). «Мыши с дефицитом растворимой аденилатциклазы бесплодны из-за серьезного дефекта подвижности сперматозоидов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (9): 2993–2998. Bibcode : 2004PNAS..101.2993E. doi : 10.1073/pnas.0400050101 . PMC 365733. PMID  14976244 . 
  18. ^ Willoughby D, Cooper DM (июль 2007 г.). «Организация и регулирование Ca2+ аденилатциклаз в микродоменах цАМФ». Physiological Reviews . 87 (3): 965–1010. CiteSeerX 10.1.1.336.3746 . doi :10.1152/physrev.00049.2006. PMID  17615394. 
  19. ^ Mons N, Guillou JL, Jaffard R (апрель 1999 г.). «Роль аденилатциклаз, стимулируемых Ca2+/кальмодулином, как молекулярных детекторов совпадений в формировании памяти». Cellular and Molecular Life Sciences . 55 (4): 525–533. doi :10.1007/s000180050311. PMC 11147090 . PMID  10357223. S2CID  10849274. 
  20. ^ Neve KA, Seamans JK, Trantham-Davidson H (август 2004 г.). «Сигнализация рецепторов дофамина». 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. ^ Gallagher DT, Smith NN, Kim SK, Heroux A, Robinson H, Reddy PT (сентябрь 2006 г.). «Структура аденилатциклазы класса IV обнаруживает новую складчатость». Журнал молекулярной биологии . 362 (1): 114–122. doi :10.1016/j.jmb.2006.07.008. PMID  16905149.
  22. ^ Kohn G, Delvaux D, Lakaye B, Servais AC, Scholer G, Fillet M и др. (2012). «Высокая активность неорганической трифосфатазы в бактериях и клетках млекопитающих: идентификация вовлеченных ферментов». PLOS ONE . ​​7 (9): e43879. Bibcode :2012PLoSO...743879K. doi : 10.1371/journal.pone.0043879 . PMC 3440374 . PMID  22984449. 
  23. ^ Cotta MA, Whitehead TR, Wheeler MB (июль 1998 г.). «Идентификация новой аденилатциклазы в анаэробе рубца Prevotella ruminicola D31d». FEMS Microbiology Letters . 164 (2): 257–260. doi : 10.1111/j.1574-6968.1998.tb13095.x . PMID  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

На Викискладе есть медиафайлы по теме Аденилатциклаза .