Adenilil ciclase

Adenilato ciclase (EC 4.6.1.1, também comumente conhecido como adenil ciclase e adenilil ciclase, abreviado como AC) é uma enzima com nome sistemático ATP difosfato-liase (ciclizando; 3',5'-formador de AMP cíclico). Catalisa a seguinte reação:

ATP = 3′,5′-cíclica AMP + diphosphate

Tem funções regulatórias essenciais em praticamente todas as células. É a enzima mais polifilética conhecida: seis classes distintas foram descritas, todas catalisando a mesma reação, mas representando famílias de genes não relacionados, sem sequência conhecida ou homologia estrutural. A classe mais conhecida de adenilil ciclases é a classe III ou AC-III (algarismos romanos são usados para as classes). AC-III ocorre amplamente em eucariotas e tem papéis importantes em muitos tecidos humanos.

Todas as classes de adenilil ciclase catalisam a conversão de adenosina trifosfato (ATP) em AMP 3',5'-cíclico (cAMP) e pirofosfato. Os íons de magnésio são geralmente necessários e parecem estar intimamente envolvidos no mecanismo enzimático. O cAMP produzido por AC serve então como um sinal regulador via proteínas específicas de ligação ao cAMP, sejam fatores de transcrição, enzimas (por exemplo, quinases dependentes de cAMP) ou transportadores de íons.

Adenylyl cyclase catalisa a conversão de ATP para 3',5 '-cíclica AMP.

Aulas

Classe I

A primeira classe de adenilil ciclase ocorre em muitas bactérias, incluindo E. coli (como CyaA P00936 [não relacionado à enzima Classe II]). Esta foi a primeira classe de AC a ser caracterizada. Observou-se que E. coli privados de glicose produzem cAMP que serve como um sinal interno para ativar a expressão de genes para importar e metabolizar outros açúcares. O cAMP exerce esse efeito ligando-se ao fator de transcrição CRP, também conhecido como CAP. Os AC's de classe I são grandes enzimas citosólicas (~100 kDa) com um grande domínio regulatório (~50 kDa) que detecta indiretamente os níveis de glicose. A partir de 2012, nenhuma estrutura cristalina está disponível para classe I AC.

Algumas informações estruturais indiretas estão disponíveis para esta classe. Sabe-se que a metade N-terminal é a porção catalítica, e que requer dois íons Mg²⁺. S103, S113, D114, D116 e W118 são os cinco resíduos absolutamente essenciais. O domínio catalítico classe I (Pfam PF12633) pertence à mesma superfamília (Pfam CL0260) que o domínio palm da DNA polimerase beta (Pfam PF18765). O alinhamento de sua sequência na estrutura em uma nucleotidiltransferase arqueal CCA tRNA relacionada (PDB: 1R89) permite a atribuição dos resíduos a funções específicas: ligação de γ-fosfato, estabilização estrutural, DxD motivo para ligação de íons metálicos e, finalmente, ligação de ribose.

Classe II

Essas adenilil ciclases são toxinas secretadas por bactérias patogênicas como Bacillus anthracis, Bordetella pertussis, Pseudomonas aeruginosa e Vibrio vulnificus durante infecções. Essas bactérias também secretam proteínas que permitem que o AC-II entre nas células hospedeiras, onde a atividade AC exógena prejudica os processos celulares normais. Os genes para ACs de Classe II são conhecidos como cyaA, um dos quais é a toxina do antraz. Várias estruturas cristalinas são conhecidas para enzimas AC-II.

Classe III

Essas adenilil ciclases são as mais conhecidas com base em estudos extensivos devido a seus papéis importantes na saúde humana. Eles também são encontrados em algumas bactérias, principalmente no Mycobacterium tuberculosis, onde parecem ter um papel fundamental na patogênese. A maioria dos AC-III's são proteínas integrais de membrana envolvidas na transdução de sinais extracelulares em respostas intracelulares. Um Prêmio Nobel foi concedido a Earl Sutherland em 1971 por descobrir o papel fundamental do AC-III no fígado humano, onde a adrenalina estimula indiretamente o AC a mobilizar a energia armazenada no processo de "luta ou fuga" resposta. O efeito da adrenalina ocorre por meio de uma cascata de sinalização da proteína G, que transmite sinais químicos de fora da célula através da membrana para o interior da célula (citoplasma). O sinal externo (neste caso, a adrenalina) liga-se a um receptor, que transmite um sinal à proteína G, que transmite um sinal à adenilil ciclase, que transmite um sinal convertendo o trifosfato de adenosina em monofosfato de adenosina cíclico (AMPc). cAMP é conhecido como um segundo mensageiro.

O AMP cíclico é uma molécula importante na transdução de sinais eucarióticos, o chamado segundo mensageiro. As adenilil ciclases são frequentemente ativadas ou inibidas por proteínas G, que são acopladas a receptores de membrana e, portanto, podem responder a estímulos hormonais ou outros. Após a ativação da adenilil ciclase, o cAMP resultante atua como um segundo mensageiro, interagindo e regulando outras proteínas, como a proteína quinase A e os canais iônicos controlados por nucleotídeos cíclicos.

A adenilil ciclase (PAC) fotoativada foi descoberta em Euglena gracilis e pode ser expressa em outros organismos por meio de manipulação genética. O brilho da luz azul em uma célula contendo PAC o ativa e aumenta abruptamente a taxa de conversão de ATP em cAMP. Essa é uma técnica útil para pesquisadores em neurociência porque permite aumentar rapidamente os níveis intracelulares de cAMP em determinados neurônios e estudar o efeito desse aumento da atividade neural no comportamento do organismo. Uma rodopsina adenilil ciclase ativada por luz verde (CaRhAC) foi recentemente projetada modificando o bolso de ligação do nucleotídeo da rodopsina guanilil ciclase.

Estrutura

Estrutura da ciclase adenilílica

A maioria das adenilil ciclases de classe III são proteínas transmembranares com 12 segmentos transmembranares. A proteína é organizada com 6 segmentos transmembranares, depois o domínio citoplasmático C1, depois outros 6 segmentos membranares e depois um segundo domínio citoplasmático chamado C2. As partes importantes para a função são o N-terminal e as regiões C1 e C2. Os subdomínios C1a e C2a são homólogos e formam um 'dímero' que forma o sítio ativo. Em Mycobacterium tuberculosis e muitos outros casos bacterianos, o polipeptídeo AC-III tem apenas metade do comprimento, compreendendo um domínio 6-transmembranar seguido por um domínio citoplasmático, mas dois deles formam um homodímero funcional que se assemelha ao arquitetura mamífera com dois sítios ativos. Em ACs de classe III não animais, o domínio citoplasmático catalítico é visto associado a outros domínios (não necessariamente transmembranares).

Os domínios de adenilil ciclase de classe III podem ser ainda divididos em quatro subfamílias, denominadas classe IIIa a IIId. ACs ligados à membrana animal pertencem à classe IIIa.

Mecanismo

A reação ocorre com dois cofatores metálicos (Mg ou Mn) coordenados aos dois resíduos de aspartato em C1. Eles realizam um ataque nucleofílico do grupo 3'-OH da ribose no grupo α-fosforil do ATP. Os dois resíduos de lisina e aspartato em C2 selecionam ATP em vez de GTP para o substrato, de modo que a enzima não seja uma guanilil ciclase. Um par de resíduos de arginina e asparagina em C2 estabiliza o estado de transição. Em muitas proteínas, esses resíduos são, no entanto, mutados, mantendo a atividade da adenilil ciclase.

Tipos

Existem dez isoformas conhecidas de adenilil ciclases em mamíferos:

Às vezes, eles também são chamados simplesmente de AC1, AC2 etc. Eles diferem principalmente em como são regulados e são expressos diferencialmente em vários tecidos ao longo do desenvolvimento dos mamíferos.

Regulamento

A adenilil ciclase é regulada pelas proteínas G, que podem ser encontradas na forma monomérica ou na forma heterotrimérica, composta por três subunidades. A atividade da adenilil ciclase é controlada por proteínas G heterotriméricas. A forma inativa ou inibitória existe quando o complexo consiste nas subunidades alfa, beta e gama, com GDP ligado à subunidade alfa. Para se tornar ativo, um ligante deve se ligar ao receptor e causar uma alteração conformacional. Essa mudança conformacional faz com que a subunidade alfa se dissocie do complexo e se ligue ao GTP. Este complexo G-alfa-GTP então se liga à adenilil ciclase e causa ativação e liberação de cAMP. Como um bom sinal requer a ajuda de enzimas, que ligam e desligam os sinais rapidamente, deve haver também um mecanismo no qual a adenilil ciclase desativa e inibe o cAMP. A desativação do complexo G-alfa-GTP ativo é realizada rapidamente pela hidrólise do GTP devido à reação ser catalisada pela atividade enzimática intrínseca da GTPase localizada na subunidade alfa. Também é regulado pela forscolina, bem como por outros efetores específicos da isoforma:

• Isoformas I, III e VIII também são estimuladas por Ca2+/calmodulina.
• Isoformas V e VI são inibidas por Ca²⁺ de forma calmadulina-independente.
• Isoformas II, IV e IX são estimulados pela subunidade alfa da proteína G.
• Isoformas I, V e VI são mais claramente inibidas por Gi, enquanto outros isoformas mostram menos regulação dupla pela proteína G inibitória.
• AC solúvel (sAC) não é uma forma transmembrana e não é regulado por proteínas G ou forskolin, em vez atua como um bicarbonato/p Sensor H. É ancorado em vários locais dentro da célula e, com fosfodiesterases, forma domínios de sinalização cAMP local.

Nos neurônios, as adenilil ciclases sensíveis ao cálcio estão localizadas próximas aos canais de íons de cálcio para uma reação mais rápida ao influxo de Ca²⁺; eles são suspeitos de desempenhar um papel importante nos processos de aprendizagem. Isso é corroborado pelo fato de que as adenilil ciclases são detectores de coincidência, o que significa que são ativadas apenas por vários sinais diferentes ocorrendo juntos. Em células e tecidos periféricos, as adenilil ciclases parecem formar complexos moleculares com receptores específicos e outras proteínas de sinalização de uma maneira específica de isoforma.

Função

Isoformas individuais de adenilil ciclase transmembranar têm sido associadas a inúmeras funções fisiológicas. A adenilil ciclase solúvel (sAC, AC10) tem um papel crítico na motilidade espermática. Adenilil ciclase tem sido implicada na formação da memória, funcionando como um detector de coincidência.

Classe IV

AC-IV foi relatado pela primeira vez na bactéria Aeromonas hydrophila, e a estrutura do AC-IV de Yersinia pestis foi relatada. Estas são as menores classes de enzimas AC; o AC-IV (CyaB) de Yersinia é um dímero de subunidades de 19 kDa sem componentes reguladores conhecidos (PDB: 2FJT). AC-IV forma uma superfamília com a tiamina-trifosfatase mamária chamada CYTH (CyaB, tiamina trifosfatase).

Classes V e VI

Essas formas de AC foram relatadas em bactérias específicas (Prevotella ruminicola O68902 e Rhizobium etli Q8KY20, respectivamente) e não foram amplamente caracterizados. Existem alguns membros extras (~ 400 em Pfam) conhecidos por estarem na classe VI. As enzimas da classe VI possuem um núcleo catalítico semelhante ao da classe III.

Imagens adicionais

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  Caminho da quinase do receptor adrenérgico Beta