Adenilil ciclasa

Adenilato ciclasa (EC 4.6.1.1, también conocida comúnmente como adenil ciclasa y adenilil ciclasa, abreviado AC) es una enzima con nombre sistemático ATP difosfato-liasa (ciclizante; formadora de 3′,5′-AMP cíclico). Cataliza la siguiente reacción:

ATP = 3′,5′ ciclo AMP + difosfato

Tiene funciones reguladoras clave en prácticamente todas las células. Es la enzima más polifilética conocida: se han descrito seis clases distintas, todas catalizan la misma reacción pero representan familias de genes no relacionados sin secuencia conocida u homología estructural. La clase más conocida de adenilil ciclasas es la clase III o AC-III (se utilizan números romanos para las clases). AC-III ocurre ampliamente en eucariotas y tiene funciones importantes en muchos tejidos humanos.

Todas las clases de adenilil ciclasa catalizan la conversión de trifosfato de adenosina (ATP) en AMP 3', 5'-cíclico (cAMP) y pirofosfato. Los iones de magnesio generalmente son necesarios y parecen estar estrechamente involucrados en la actividad enzimática. mecanismo. El AMPc producido por AC luego sirve como una señal reguladora a través de proteínas de unión a AMPc específicas, ya sean factores de transcripción, enzimas (p. ej., cinasas dependientes de AMPc) o transportadores de iones.

Adenylyl cyclase cataliza la conversión de ATP a 3',5'-ciclic AMP.

Clases

Clase I

La primera clase de adenilil ciclasas se encuentra en muchas bacterias, incluida E. coli (como CyaA P00936 [sin relación con la enzima Clase II]). Esta fue la primera clase de CA que se caracterizó. Se observó que E. coli privado de glucosa produce cAMP que sirve como una señal interna para activar la expresión de genes para importar y metabolizar otros azúcares. cAMP ejerce este efecto al unirse al factor de transcripción CRP, también conocido como CAP. Los AC de clase I son enzimas citosólicas grandes (~100 kDa) con un gran dominio regulador (~50 kDa) que detecta indirectamente los niveles de glucosa. A partir de 2012, no hay estructura cristalina disponible para la clase I AC.

Alguna información estructural indirecta está disponible para esta clase. Se sabe que la mitad N-terminal es la porción catalítica y que requiere dos iones Mg²⁺. S103, S113, D114, D116 y W118 son los cinco residuos absolutamente esenciales. El dominio catalítico de clase I (Pfam PF12633) pertenece a la misma superfamilia (Pfam CL0260) que el dominio palm de la ADN polimerasa beta (Pfam PF18765). La alineación de su secuencia en la estructura en una nucleotidiltransferasa de ARNt CCA arqueal relacionada (PDB: 1R89) permite la asignación de los residuos a funciones específicas: unión de γ-fosfato, estabilización estructural, DxD motivo para la unión de iones metálicos y, finalmente, unión de ribosa.

Clase II

Estas adenilil ciclasas son toxinas secretadas por bacterias patógenas como Bacillus anthracis, Bordetella pertussis, Pseudomonas aeruginosa y Vibrio vulnificus durante las infecciones. Estas bacterias también secretan proteínas que permiten que AC-II ingrese a las células huésped, donde la actividad de AC exógena socava los procesos celulares normales. Los genes de los AC de Clase II se conocen como cyaA, uno de los cuales es la toxina del ántrax. Se conocen varias estructuras cristalinas para las enzimas AC-II.

Clase III

Estas adenilil ciclasas son las más conocidas según un extenso estudio debido a sus importantes funciones en la salud humana. También se encuentran en algunas bacterias, en particular Mycobacterium tuberculosis, donde parecen tener un papel clave en la patogénesis. La mayoría de los AC-III son proteínas integrales de membrana involucradas en la transducción de señales extracelulares en respuestas intracelulares. Se otorgó un Premio Nobel a Earl Sutherland en 1971 por descubrir el papel clave del AC-III en el hígado humano, donde la adrenalina estimula indirectamente al AC para movilizar la energía almacenada en el proceso de "lucha o huida". respuesta. El efecto de la adrenalina es a través de una cascada de señalización de proteína G, que transmite señales químicas desde el exterior de la célula a través de la membrana hacia el interior de la célula (citoplasma). La señal externa (en este caso, la adrenalina) se une a un receptor, que transmite una señal a la proteína G, que transmite una señal a la adenilil ciclasa, que transmite una señal al convertir el trifosfato de adenosina en monofosfato de adenosina cíclico (cAMP). cAMP es conocido como un segundo mensajero.

El AMP cíclico es una molécula importante en la transducción de señales eucarióticas, el llamado segundo mensajero. Las adenilil ciclasas a menudo son activadas o inhibidas por proteínas G, que están acopladas a receptores de membrana y, por lo tanto, pueden responder a estímulos hormonales o de otro tipo. Después de la activación de la adenilil ciclasa, el cAMP resultante actúa como un segundo mensajero al interactuar y regular otras proteínas como la proteína quinasa A y los canales iónicos controlados por nucleótidos cíclicos.

La adenilil ciclasa fotoactivada (PAC) se descubrió en Euglena gracilis y puede expresarse en otros organismos mediante manipulación genética. La luz azul brillante en una célula que contiene PAC la activa y aumenta abruptamente la tasa de conversión de ATP a AMPc. Esta es una técnica útil para los investigadores en neurociencia porque les permite aumentar rápidamente los niveles de cAMP intracelular en neuronas particulares y estudiar el efecto de ese aumento en la actividad neuronal en el comportamiento del organismo. Recientemente se ha diseñado una rodopsina adenilil ciclasa activada con luz verde (CaRhAC) modificando el bolsillo de unión de nucleótidos de la rodopsina guanilil ciclasa.

Estructura

Estructura de ciclosa adenil

La mayoría de las adenilil ciclasas de clase III son proteínas transmembrana con 12 segmentos transmembrana. La proteína está organizada con 6 segmentos transmembrana, luego el dominio citoplasmático C1, luego otros 6 segmentos de membrana y luego un segundo dominio citoplasmático llamado C2. Las partes importantes para la función son el N-terminal y las regiones C1 y C2. Los subdominios C1a y C2a son homólogos y forman un 'dímero' intramolecular. que forma el sitio activo. En Mycobacterium tuberculosis y muchos otros casos bacterianos, el polipéptido AC-III tiene solo la mitad de largo y comprende un dominio transmembrana de 6 seguido de un dominio citoplasmático, pero dos de estos forman un homodímero funcional que se parece al arquitectura de mamíferos con dos sitios activos. En los AC de clase III no animales, el dominio citoplásmico catalítico se ve asociado con otros dominios (no necesariamente transmembrana).

Los dominios de adenilil ciclasa de clase III se pueden dividir en cuatro subfamilias, denominadas de clase IIIa a IIId. Las AC unidas a la membrana animal pertenecen a la clase IIIa.

Mecanismo

La reacción ocurre con dos cofactores metálicos (Mg o Mn) coordinados con los dos residuos de aspartato en C1. Realizan un ataque nucleofílico del grupo 3'-OH de la ribosa sobre el grupo α-fosforilo del ATP. Los dos residuos de lisina y aspartato en C2 seleccionan ATP sobre GTP para el sustrato, de modo que la enzima no es una guanilil ciclasa. Un par de residuos de arginina y asparagina en C2 estabiliza el estado de transición. Sin embargo, en muchas proteínas, estos residuos están mutados mientras conservan la actividad de adenilil ciclasa.

Tipos

Hay diez isoformas conocidas de adenilil ciclasas en mamíferos:

A veces también se denominan simplemente AC1, AC2, etc. y, de manera un tanto confusa, a veces se utilizan números romanos para estas isoformas que pertenecen a la clase general AC III. Difieren principalmente en la forma en que se regulan y se expresan de manera diferente en varios tejidos a lo largo del desarrollo de los mamíferos.

Regulación

La adenilil ciclasa está regulada por proteínas G, que se pueden encontrar en forma monomérica o heterotrimérica, que consta de tres subunidades. La actividad de la adenilil ciclasa está controlada por proteínas G heterotriméricas. La forma inactiva o inhibitoria existe cuando el complejo consta de subunidades alfa, beta y gamma, con GDP unido a la subunidad alfa. Para volverse activo, un ligando debe unirse al receptor y provocar un cambio conformacional. Este cambio conformacional hace que la subunidad alfa se disocie del complejo y se una a GTP. Este complejo G-alfa-GTP luego se une a la adenilil ciclasa y provoca la activación y liberación de AMPc. Dado que una buena señal requiere la ayuda de enzimas, que activan y desactivan las señales rápidamente, también debe haber un mecanismo en el que la adenilil ciclasa desactive e inhiba el AMPc. La desactivación del complejo G-alfa-GTP activo se logra rápidamente mediante hidrólisis de GTP debido a que la reacción es catalizada por la actividad enzimática intrínseca de la GTPasa ubicada en la subunidad alfa. También está regulado por forskoline, así como por otros efectores específicos de isoformas:

• Isoforms I, III, y VIII también son estimulados por Ca2+/calmodulina.
• Isoforms V y VI son inhibidos por Ca²⁺ en forma calmaodulina-independiente.
• Isoforms II, IV y IX son estimulados por subunidad alfa de la proteína G.
• Isoforms I, V y VI son más claramente inhibidos por Gi, mientras que otros isoformes muestran menos regulación dual por la proteína G inhibitoria.
• El AC Soluble (sAC) no es una forma transmembrana y no está regulado por proteínas G o forskolina, sino que actúa como bicarbonato/p Sensor H. Está anclado en varios lugares dentro de la célula y, con fosfodiesterases, forma dominios locales de señalización cAMP.

En las neuronas, las adenilil ciclasas sensibles al calcio se ubican junto a los canales de iones de calcio para una reacción más rápida a la entrada de Ca²⁺; se sospecha que juegan un papel importante en los procesos de aprendizaje. Esto está respaldado por el hecho de que las adenilil ciclasas son detectores de coincidencias, lo que significa que se activan solo por varias señales diferentes que ocurren juntas. En las células y tejidos periféricos, las adenilil ciclasas parecen formar complejos moleculares con receptores específicos y otras proteínas de señalización de una manera específica de isoforma.

Función

La adenilil ciclasa se ha implicado en la formación de la memoria y funciona como un detector de coincidencias.

Clase IV

AC-IV se informó por primera vez en la bacteria Aeromonas hydrophila, y se ha informado sobre la estructura del AC-IV de Yersinia pestis. Estas son las clases de enzimas AC más pequeñas; el AC-IV (CyaB) de Yersinia es un dímero de subunidades de 19 kDa sin componentes reguladores conocidos (PDB: 2FJT). AC-IV forma una superfamilia con tiamina-trifosfatasa mamaliana llamada CYTH (CyaB, tiamina trifosfatasa).

Clases V y VI

Estas formas de CA se han informado en bacterias específicas (Prevotella ruminicola O68902 y Rhizobium etli Q8KY20, respectivamente) y no han sido ampliamente caracterizados. Hay algunos miembros adicionales (~ 400 en Pfam) que se sabe que están en la clase VI. Las enzimas de clase VI poseen un núcleo catalítico similar al de la clase III.

Imágenes adicionales

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  Beta adrenergic receptor kinase pathway