Adenylyl cykláza - Adenylyl cyclase

Adenylyl cykláza
1pk0.jpg
Trimer na adenylátcyklázu (citlivý na kalmodulin), Bacillus anthracis
Epinefrin váže svůj receptor, který se asociuje s heterotrimerickým G proteinem. G protein se asociuje s adenylylcyklázou, která převádí ATP na cAMP a šíří signál.[1]
Identifikátory
EC číslo4.6.1.1
Číslo CAS9012-42-4
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum
Genová ontologieAmiGO / QuickGO

Adenylyl cykláza (ES 4.6.1.1, také běžně známý jako adenyl cykláza a adenylátcykláza, zkráceně AC) je enzym s klíčovými regulačními rolemi v podstatě ve všech buňky.[2] To je nejvíce polyfyletický známý enzym: bylo popsáno šest různých tříd katalyzující stejná reakce, ale představující nesouvisející gen rodiny bez známých sekvence nebo strukturní homologie.[3] Nejznámější třídou adenylylcykláz je třída III nebo AC-III (pro třídy se používají římské číslice). AC-III se hojně vyskytuje v eukaryoty a má důležité role v mnoha lidských papírové kapesníky.[4]

Všechny třídy adenylyl cyklázy katalyzovat přeměna adenosintrifosfát (ATP) do 3 ', 5'-cyklický AMP (cAMP) a pyrofosfát.[4] Hořčík ionty jsou obecně nutné a zdá se, že jsou úzce zapojeny do enzymatického mechanismu. CAMP produkovaný AC pak slouží jako regulační signál prostřednictvím specifické vazby cAMP bílkoviny, buď transkripční faktory, enzymy (např. závislé na cAMP kinázy ), nebo ion transportéry.

Adenylyl cykláza katalyzuje přeměnu ATP na 3 ', 5'-cyklický AMP.

Třídy

Třída I.

Adenylátcykláza, třída I.
Identifikátory
SymbolAdenylate_cycl
PfamPF01295
InterProIPR000274
STRÁNKAPDOC00837

První třída adenylylcykláz se vyskytuje v mnoha bakteriích včetně E-coli (jako CyaA P00936 [nesouvisí s enzymem třídy II]).[4] Jednalo se o první třídu střídavého proudu, která byla charakterizována. Bylo pozorováno, že E-coli zbaveni glukózy produkují cAMP, který slouží jako vnitřní signál k aktivaci exprese genů pro import a metabolizaci dalších cukrů. cAMP uplatňuje tento účinek vázáním transkripčního faktoru CRP, také známý jako CAP. AC třídy I jsou velké cytosolické enzymy (~ 100 kDa) s velkou regulační doménou (~ 50 kDa), které nepřímo snímají hladiny glukózy. Od roku 2012, pro třídu I AC není k dispozici žádná krystalová struktura.

Pro tuto třídu jsou k dispozici některé nepřímé strukturální informace. Je známo, že N-koncová polovina je katalytická část a že vyžaduje dva Mg2+ ionty. S103, S113, D114, D116 a W118 jsou pět naprosto nezbytných zbytků. Katalytická doména třídy I (Pfam PF12633 ) patří do stejné nadčeledi (Pfam CL0260 ) jako palmová doména DNA polymeráza beta (Pfam PF18765 ). Zarovnání jeho sekvence na strukturu na související archaeal CCA tRNA nukleotidyltransferáza (PDB: 1R89) Umožňuje přiřazení zbytků konkrétním funkcím: y-fosfát vazba, strukturní stabilizace, motiv DxD pro vazbu kovových iontů a nakonec vazba ribózy.[5]

Třída II

Tyto adenylylcyklázy jsou toxiny vylučované patogenními bakteriemi, jako jsou Bacillus anthracis, Bordetella pertussis, Pseudomonas aeruginosa, a Vibrio vulnificus během infekcí.[6] Tyto bakterie také vylučují proteiny, které umožňují AC-II vstoupit do hostitelských buněk, kde exogenní aktivita AC podkopává normální buněčné procesy. Geny pro AC třídy II jsou známé jako cyaA, z nichž jeden je antraxový toxin. Pro enzymy AC-II je známo několik krystalových struktur.[7][8][9]

Třída III

Adenylyl cykláza třídy 3 / guanylyl cykláza
Identifikátory
SymbolGuanylate_cyc
PfamPF00211
Pfam klanCL0276
InterProIPR001054
CHYTRÝSM00044
STRÁNKAPS50125
SCOP21tl7 / Rozsah / SUPFAM
TCDB8.A.85
OPM nadčeleď546
OPM protein6r3q

Tyto adenylylcyklázy jsou na základě rozsáhlých studií nejznámější kvůli jejich důležitým rolím v lidském zdraví. Vyskytují se také v některých bakteriích, zejména Mycobacterium tuberculosis kde se zdá, že mají klíčovou roli v patogenezi. Většina AC-III jsou integrální membránové proteiny podílející se na přenosu extracelulárních signálů do intracelulárních odpovědí. Nobelova cena byla udělena Hrabě Sutherland v roce 1971 za objevení klíčové role AC-III v lidských játrech, kde adrenalin nepřímo stimuluje AC k mobilizaci uložené energie v reakci „bojuj nebo utíkej“. Účinek adrenalinu je prostřednictvím a G protein signální kaskáda, která přenáší chemické signály z vnějšku buňky přes membránu do vnitřku buňky (cytoplazma ). Vnější signál (v tomto případě adrenalin) se váže na receptor, který přenáší signál na G protein, který přenáší signál na adenylyl cyklázu, která přenáší signál převodem adenosintrifosfát na cyklický adenosinmonofosfát (tábor). cAMP je znám jako a druhý posel.[10]

Cyklický AMP je důležitá molekula v eukaryotický signální transdukce, tzv druhý posel. Adenylylcyklázy jsou často aktivovány nebo inhibovány G proteiny, které jsou spojeny s membránovými receptory a mohou tak reagovat na hormonální nebo jiné podněty.[11] Po aktivaci adenylylcyklázy působí výsledný cAMP jako druhý posel interakcí s dalšími proteiny, jako je například protein kináza A a iontové kanály řízené cyklickými nukleotidy.[11]

Fotoaktivovaná adenylylcykláza (PAC) byl objeven v Euglena gracilis a mohou být exprimovány v jiných organismech genetickou manipulací. Svítící modré světlo na buňku obsahující PAC ji aktivuje a náhle zvyšuje rychlost přeměny ATP na cAMP. Toto je užitečná technika pro vědce v neurovědě, protože jim umožňuje rychle zvýšit hladiny intracelulárních cAMP v konkrétních neuronech a studovat účinek tohoto zvýšení nervové aktivity na chování organismu.[12] Zelená barva aktivovaná rhodopsin-adenylylcykláza (CaRhAC) byla nedávno vyvinuta úpravou vazebné kapsy rhodopsinu vázajícího nukleotidy guanylyl cykláza.

Struktura

Struktura adenylyl cyklázy

Většina adenylylcykláz třídy III je transmembránová bílkoviny s 12 transmembránovými segmenty. Protein je organizován se 6 transmembránovými segmenty, poté s cytoplazmatickou doménou C1, poté s dalšími 6 membránovými segmenty a potom s druhou cytoplazmatickou doménou zvanou C2. Důležitými částmi pro funkci jsou N-konec a oblasti C1 a C2. Subdomény C1a a C2a jsou homologní a tvoří intramolekulární „dimer“, který tvoří aktivní místo. v Mycobacterium tuberculosis a mnoho dalších bakteriálních případů je polypeptid AC-III pouze poloviční, obsahuje jednu 6-transmembránovou doménu následovanou cytoplazmatickou doménou, ale dva z nich tvoří funkční homodimer, který se podobá savčí architektuře se dvěma aktivními místy. U AC-zvířat jiné třídy než zvíře je katalytická cytoplazmatická doména spojena s jinými (ne nutně transmembránovými) doménami.[13]

Domény adenylylcyklázy třídy III lze dále rozdělit do čtyř podskupin, které se nazývají třídy IIIa až IIId. Zvířecí membránově vázané AC patří do třídy IIIa.[13]:1087

Mechanismus

Reakce probíhá se dvěma kovovými kofaktory (Mg nebo Mn) koordinovanými se dvěma zbytky aspartátu na C1. Provádějí nukleofilní útok 3'-OH skupiny ribózy na α-fosforylovou skupinu ATP. Dva zbytky lysinu a aspartátu na C2 vybírají pro substrát ATP nad GTP, takže enzym není guanylylcykláza. Pár zbytků argininu a asparaginu na C2 stabilizuje přechodový stav. V mnoha proteinech jsou tyto zbytky mutovány při zachování aktivity adenylyl cyklázy.[13]

Typy

Existuje deset známých izoforem adenylylcykláz v savci:

Tito se také někdy nazývají jednoduše AC1, AC2 atd., A poněkud matoucí, někdy se pro tyto izoformy používají římské číslice, které všechny patří do celkové třídy AC III. Liší se hlavně v tom, jak jsou regulovány, a jsou různě exprimovány v různých tkáních během vývoje savců.

Nařízení

Adenylylcykláza je regulována G proteiny, které lze nalézt v monomerní formě nebo v heterotrimerní formě, sestávající ze tří podjednotek.[2][3][4] Aktivita adenylylcyklázy je řízena heterotrimerními G proteiny.[2][3][4] Neaktivní nebo inhibiční forma existuje, když komplex sestává z alfa, beta a gama podjednotek, s GDP vázaným na alfa podjednotku.[2][4] Aby se stal aktivním, musí se ligand vázat na receptor a způsobit konformační změnu.[2] Tato konformační změna způsobí, že se alfa podjednotka oddělí od komplexu a naváže se na GTP.[2] Tento komplex G-alfa-GTP se poté váže na adenylyl cyklázu a způsobuje aktivaci a uvolňování cAMP.[2] Protože dobrý signál vyžaduje pomoc enzymů, které rychle zapínají a vypínají signály, musí existovat také mechanismus, ve kterém adenylyl cykláza deaktivuje a inhibuje cAMP.[2] Deaktivace aktivního komplexu G-alfa-GTP se provádí rychle hydrolýzou GTP v důsledku reakce katalyzované vnitřní enzymatickou aktivitou GTPázy umístěnou v alfa podjednotce.[2] Rovněž je regulováno forskolin,[11] stejně jako další efektory specifické pro izoformu:

  • Izoformy I, III a VIII jsou také stimulovány Ca.2+ /klimodulin.[11]
  • Izoformy V a VI jsou inhibovány Ca2+ způsobem nezávislým na kalmodulinu.[11]
  • Izoformy II, IV a IX jsou stimulovány alfa podjednotkou G proteinu.[11]
  • Izoformy I, V a VI jsou nejjasněji inhibovány Gi, zatímco jiné izoformy vykazují méně duální regulace inhibičním G proteinem.[11]
  • Rozpustný AC (sAC) není transmembránová forma a není regulován G proteiny nebo forskolinem, místo toho působí jako hydrogenuhličitan / pH senzor. Je ukotven na různých místech v buňce a pomocí fosfodiesterázy, tvoří místní signální domény cAMP.[14]

v neurony, vedle vápníku se nacházejí adenylylcyklázy citlivé na vápník iontové kanály pro rychlejší reakci na Ca2+ příliv; je u nich podezření, že hrají důležitou roli v procesech učení. To podporuje skutečnost, že adenylylcyklázy jsou detektory shody, což znamená, že jsou aktivovány pouze několika různými signály vyskytujícími se společně.[15] V periferních buňkách a tkáních se zdá, že adenylylcyklázy tvoří molekulární komplexy se specifickými receptory a jinými signálními proteiny způsobem specifickým pro izoformu.

Funkce

Adenylyl cykláza se podílí na tvorbě paměti, funguje jako detektor náhod.[11][15][16][17][18]

Třída IV

Adenylyl cykláza CyaB
Identifikátory
SymbolCyaB
InterProIPR008173
KOCOUR1YEM
SCOP22ACA / Rozsah / SUPFAM
CDDcd07890

AC-IV byl poprvé zaznamenán v bakterii Aeromonas hydrophilaa struktura AC-IV z Yersinia pestis byl nahlášen. Jedná se o nejmenší ze tříd AC enzymů; AC-IV (CyaB) z Yersinia je dimer 19 kDa podjednotek bez známých regulačních složek (PDB: 2FJT​).[19] AC-IV tvoří nadčeleď s mamallianem thiamin-trifosfatáza nazývaný CYTH (CyaB, thiamin trifosfatáza).[20]

Třídy V a VI

Třída AC VI (DUF3095)
Identifikátory
SymbolDUF3095
PfamPF11294
InterProIPR021445
kontaktní předpověď

Tyto formy AC byly hlášeny u konkrétních bakterií (Prevotella ruminicola O68902 a Rhizobium etli Q8KY20) a nebyly podrobně charakterizovány.[21] Existuje několik dalších členů (~ 400 v Pfam), o kterých je známo, že jsou ve třídě VI. Enzymy třídy VI mají katalytické jádro podobné tomu ve třídě III.[22]

Další obrázky

Reference

  1. ^ "PDB101: Molekula měsíce: G proteiny". RCSB: PDB-101. Citováno 24. srpna 2020.
  2. ^ A b C d E F G h i Hancock, John (2010). Buněčná signalizace. 189–195.
  3. ^ A b C Sadana R, Dessauer CW (únor 2009). „Fyziologické role pro izoformy adenylylcyklázy regulované G-proteiny: poznatky ze studií knockout a nadměrné exprese“. Neuro-signály. 17 (1): 5–22. doi:10.1159/000166277. PMC  2790773. PMID  18948702.
  4. ^ A b C d E F Zhang G, Liu Y, Ruoho AE, Hurley JH (březen 1997). "Struktura katalytického jádra adenylylcyklázy". Příroda. 386 (6622): 247–53. Bibcode:1997 Natur.386..247Z. doi:10.1038 / 386247a0. PMID  9069282.
  5. ^ Linder JU (listopad 2008). "Vztahy mezi strukturou a funkcí v Escherichia coli adenylátcykláze". The Biochemical Journal. 415 (3): 449–54. doi:10.1042 / BJ20080350. PMID  18620542. (zarovnání )
  6. ^ Ahuja N, Kumar P, Bhatnagar R (2004). "Toxiny adenylátcyklázy". Kritické recenze v mikrobiologii. 30 (3): 187–96. doi:10.1080/10408410490468795. PMID  15490970.
  7. ^ Khanppnavar B, Datta S (září 2018). „Krystalová struktura a substrátová specificita ExoY, jedinečný sekretovaný nukleotidylcyklázový toxin zprostředkovaný T3SS z Pseudomonas aeruginosa“. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Obecné předměty. 1862 (9): 2090–2103. doi:10.1016 / j.bbagen.2018.05.021. PMID  29859257.
  8. ^ Guo Q, Shen Y, Lee YS, Gibbs CS, Mrksich M, Tang WJ (září 2005). „Strukturální základ pro interakci toxinu adenylylcyklázy Bordetella pertussis s kalmodulinem“. Časopis EMBO. 24 (18): 3190–201. doi:10.1038 / sj.emboj.7600800. PMC  1224690. PMID  16138079.
  9. ^ Drum CL, Yan SZ, Bard J, Shen YQ, Lu D, Soelaiman S, Grabarek Z, Bohm A, Tang WJ (leden 2002). "Strukturální základ pro aktivaci antraxu adenylylcyklázového exotoxinu kalmodulinem". Příroda. 415 (6870): 396–402. Bibcode:2002 Natur.415..396D. doi:10.1038 / 415396a. PMID  11807546.
  10. ^ Reece J, Campbell N (2002). Biologie. San Francisco: Benjamin Cummings. str.207. ISBN  978-0-8053-6624-2.
  11. ^ A b C d E F G h Hanoune J, Defer N (duben 2001). "Regulace a role izoforem adenylyl cyklázy". Roční přehled farmakologie a toxikologie. 41 (1): 145–74. doi:10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.145. PMID  11264454.
  12. ^ Schröder-Lang S, Schwärzel M, Seifert R, Strünker T, Kateriya S, Looser J, Watanabe M, Kaupp UB, Hegemann P, Nagel G (leden 2007). "Rychlá manipulace s úrovní buněčného cAMP světlem in vivo" (PDF). Přírodní metody. 4 (1): 39–42. doi:10.1038 / nmeth975. PMID  17128267.
  13. ^ A b C Linder JU, Schultz JE (prosinec 2003). "Adenylylcyklázy třídy III: víceúčelové signalizační moduly". Mobilní signalizace. 15 (12): 1081–9. doi:10.1016 / s0898-6568 (03) 00130-x. PMID  14575863.
  14. ^ Rahman, N; Buck, J; Levin, LR (2013). „Snímání pH prostřednictvím„ rozpustné “adenylylcyklázy (sAC) regulované hydrogenuhličitanem. Přední fyziol. 4: 343. doi:10.3389 / fphys.2013.00343. PMC  3838963. PMID  24324443.
  15. ^ A b Hogan DA, Muhlschlegel FA (prosinec 2011). „Candida albicans vývojová regulace: adenylyl cykláza jako detektor shody paralelních signálů“. Současný názor v mikrobiologii. 14 (6): 682–6. doi:10.1016 / j.mib.2011.09.014. PMID  22014725.
  16. ^ Willoughby D, Cooper DM (červenec 2007). "Organizace a regulace Ca2 + adenylylcykláz v mikrodoménách cAMP". Fyziologické recenze. 87 (3): 965–1010. CiteSeerX  10.1.1.336.3746. doi:10.1152 / physrev.00049.2006. PMID  17615394.
  17. ^ Mons N, Guillou JL, Jaffard R (duben 1999). „Role Ca2 + / kalmodulinem stimulovatelných adenylylcykláz jako detektorů molekulární koincidence při tvorbě paměti“. Buněčné a molekulární biologické vědy. 55 (4): 525–33. doi:10,1007 / s000180050311. PMID  10357223.
  18. ^ Neve KA, Seamans JK, Trantham-Davidson H (srpen 2004). "Signalizace dopaminového receptoru". Journal of Receptor and Signal Transduction Research. 24 (3): 165–205. CiteSeerX  10.1.1.465.5011. doi:10.1081 / RRS-200029981. PMID  15521361.
  19. ^ Gallagher DT, Smith NN, Kim SK, Heroux A, Robinson H, Reddy PT (září 2006). "Struktura adenylylcyklázy třídy IV odhaluje nový záhyb". Journal of Molecular Biology. 362 (1): 114–22. doi:10.1016 / j.jmb.2006.07.008. PMID  16905149.
  20. ^ Kohn G, Delvaux D, Lakaye B, Servais AC, Scholer G, Fillet M, Elias B, Derochette JM, Crommen J, Wins P, Bettendorff L (2012). „Vysoká aktivita anorganické trifosfatázy v bakteriích a buňkách savců: identifikace použitých enzymů“. PLOS ONE. 7 (9): e43879. Bibcode:2012PLoSO ... 743879K. doi:10.1371 / journal.pone.0043879. PMC  3440374. PMID  22984449.
  21. ^ Cotta MA, Whitehead TR, Wheeler MB (červenec 1998). „Identifikace nové adenylátcyklázy v bachorovém anaerobu, Prevotella ruminicola D31d“. Mikrobiologické dopisy FEMS. 164 (2): 257–60. doi:10.1111 / j.1574-6968.1998.tb13095.x. PMID  9682474. GenBank AF056932.
  22. ^ Téllez-Sosa J, Soberón N, Vega-Segura A, Torres-Márquez ME, Cevallos MA (červenec 2002). „Produkt Rhizobium etli cyaC: charakterizace nové třídy adenylátcyklázy“. Journal of Bacteriology. 184 (13): 3560–8. doi:10.1128 / jb.184.13.3560-3568.2002. PMC  135151. PMID  12057950. GenBank AF299113.

Další čtení

  • Sodeman W, Sodeman T (2005). „Beta-adrenergní receptory spojené s fyziologickými a adenylátcyklázami“. Sodemanova patologická fyziologie: Mechanismy nemocí. W B Saunders Co. str. 143–145. ISBN  978-0721610108.

externí odkazy