CYKLAZA ADENYLANOWA: CHARAKTERYSTYKA, RODZAJE, FUNKCJE - BIOLOGIA - 2026

Cyklazę adenylanową lub cyklazy adenylowej to enzym odpowiedzialny za konwersję ATP, cząsteczki o wysokiej energii w cyklicznego AMP, ważnej cząsteczki sygnałowej, która aktywuje wiele białek zależnych od cyklicznego AMP z ważnych funkcji fizjologicznych.

Jego aktywność jest kontrolowana przez różne czynniki, takie jak na przykład skoordynowane działanie hormonów, neuroprzekaźników i innych cząsteczek regulatorowych o różnym charakterze (między innymi dwuwartościowe jony wapnia i białka G).

Diagram cyklazy adenylanowej (źródło: User Bensaccount on en.wikipedia przez Wikimedia Commons)

Główne znaczenie tego enzymu polega na znaczeniu produktu reakcji, którą katalizuje, cyklicznego AMP, gdyż bierze on udział w kontroli wielu zjawisk komórkowych związanych z metabolizmem i rozwojem, a także w odpowiedzi na różne bodźce zewnętrzne.

W naturze zarówno organizmy jednokomórkowe (stosunkowo proste), jak i duże i złożone zwierzęta wielokomórkowe używają cyklicznego AMP jako drugiego przekaźnika, a zatem enzymów, które go wytwarzają.

Badania filogenetyczne wykazały, że enzymy te pochodzą od wspólnego przodka przed rozdzieleniem eubakterii i eukariotów, co sugeruje, że cykliczny AMP miał różne funkcje, być może związane z produkcją ATP.

Można przyjąć takie stwierdzenie, ponieważ reakcja katalizowana przez cyklazę adenylanową jest łatwo odwracalna, co widać po stałej równowagi dla syntezy ATP (K eq ≈ 2,1 ± 0,2 10 -9 M 2).

Charakterystyka i struktura

Większość eukariotycznych enzymów cyklazy adenylanowej jest związanych z błoną plazmatyczną, ale w bakteriach i plemnikach ssaków występują one jako rozpuszczalne białka w cytozolu.

U drożdży i niektórych bakterii są białkami błony obwodowej, podczas gdy u niektórych gatunków ameb są to cząsteczki z pojedynczym segmentem transbłonowym.

Charakterystyka strukturalna

Są to białka złożone z dużych łańcuchów polipeptydowych (ponad 1000 reszt aminokwasowych), które przecinają błonę plazmatyczną 12 razy przez dwa regiony złożone z sześciu domen transbłonowych o konformacji alfa helisy.

Każdy region transbłonowy jest oddzielony dużą domeną cytozolową, która jest odpowiedzialna za aktywność katalityczną.

Wśród organizmów eukariotycznych występują motywy konserwatywne we fragmencie regionu końca aminowego tych enzymów, a także domena cytoplazmatyczna o masie około 40 kDa, ograniczona odcinkami hydrofobowymi.

Strona katalityczna

Reakcja, którą katalizują te enzymy, to znaczy tworzenie wiązania diestrowego poprzez nukleofilowy atak grupy OH w pozycji 3 'na grupę fosforanową trifosforanu nukleozydu w pozycji 5', zależy od wspólnego motywu strukturalnego znanego jako domena Palma".

Ta domena „dłoni” składa się z motywu „βαβααβ” („β” oznacza złożone arkusze β i „α” helisy alfa) i ma dwie niezmienne reszty kwasu asparaginowego, które koordynują dwa odpowiedzialne jony metali kataliza, którą mogą być dwuwartościowe jony magnezu lub cynku.

Wiele badań związanych z czwartorzędową strukturą tych enzymów ujawniło, że ich jednostka katalityczna istnieje jako dimer, którego tworzenie zależy od segmentów transbłonowych, które łączą się w siateczce endoplazmatycznej podczas tworzenia się białka.

Lokalizacja

Stwierdzono, że podobnie jak wiele integralnych białek błonowych, takich jak białka G, te z kotwicami fosfatydyloinozytolu i wiele innych, cyklazy adenylowe znajdują się w specjalnych regionach błonowych lub mikro-domenach znanych jako „tratwy lipidowe” (od Angielski „lipid tratwa”).

Te domeny błonowe mogą mieć średnicę do setek nanometrów i składają się głównie z cholesterolu i sfingolipidów o długich, głównie nasyconych łańcuchach kwasów tłuszczowych, co czyni je mniej płynnymi i umożliwia umieszczenie segmentów transbłonowych o różnych białka.

Stwierdzono również, że cyklazy adenylanowe są związane z podregionami tratw lipidowych znanych jako „caveolae” (z angielskiego „caveolae”), które są raczej wgłębieniami błony bogatej w cholesterol i białko z nim związane, zwane kaweoliną.

Rodzaje

W naturze istnieją trzy dobrze zdefiniowane klasy cyklazy adenylanowej i dwie, które są obecnie przedmiotem dyskusji.

- Klasa I: są obecne w wielu bakteriach Gram-ujemnych, takich jak np. E. coli, gdzie cykliczny produkt reakcji AMP pełni funkcję liganda dla czynników transkrypcyjnych odpowiedzialnych za regulację operonów katabolicznych.

- Klasa II: występuje w niektórych patogenach z rodzajów bakterii, takich jak Bacillus lub Bordetella, gdzie służą jako toksyny zewnątrzkomórkowe. Są to białka aktywowane przez kalmodulinę żywiciela (nieobecne w bakteriach).

- Klasa III: znana jako klasa „uniwersalna” i filogenetycznie spokrewniona z cyklazami guanylanowymi, które pełnią podobne funkcje. Występują zarówno u prokariontów, jak i eukariontów, gdzie są regulowane różnymi ścieżkami.

Ssacze cyklazy adenylanowe

U ssaków sklonowano i opisano co najmniej dziewięć typów tych enzymów, zakodowanych przez dziewięć niezależnych genów i należących do cyklazy adenylowej klasy III.

Mają one złożone struktury i topologie błon, a także zduplikowane domeny katalityczne, które są dla nich charakterystyczne.

W przypadku ssaków nomenklatura stosowana w odniesieniu do izoform odpowiada literom AC (dla cyklazy adenylanowej) i liczbie od 1 do 9 (AC1 - AC9). Donoszono również o dwóch wariantach enzymu AC8.

Izoformy obecne u tych zwierząt są homologiczne pod względem sekwencji pierwotnej struktury ich miejsc katalitycznych i trójwymiarowej struktury. Włączenie jednego z tych enzymów do każdego „typu” jest głównie związane z mechanizmami regulacyjnymi, które działają na każdą izoformę.

Mają wzorce ekspresji, które często są specyficzne dla tkanki. Wszystkie izoformy można znaleźć w mózgu, chociaż niektóre są ograniczone do określonych obszarów ośrodkowego układu nerwowego.

cechy

Główną funkcją enzymów należących do rodziny cyklaz adenylanowych jest przekształcanie ATP w cykliczne AMP i w tym celu katalizują one tworzenie wewnątrzcząsteczkowego wiązania diestrowego 3'-5 '(reakcja podobna do tej katalizowanej przez polimerazy DNA). z uwolnieniem cząsteczki pirofosforanu.

U ssaków różne warianty, które można osiągnąć, były związane z proliferacją komórek, uzależnieniem od etanolu, plastycznością synaps, uzależnieniem od leków, rytmem okołodobowym, stymulacją węchową, uczeniem się i pamięcią.

Niektórzy autorzy zasugerowali, że cyklazy adenylanowe mogą pełnić dodatkową funkcję jako cząsteczki transporterowe lub, co oznacza, białka kanałowe i transportery jonowe.

Jednak te hipotezy zostały przetestowane tylko w oparciu o układ lub topologię segmentów transbłonowych tych enzymów, które mają pewne homologie lub podobieństwa strukturalne (ale nie sekwencję) z określonymi kanałami transportu jonów.

Zarówno cykliczny AMP, jak i PPi (pirofosforan), które są produktami reakcji, pełnią funkcje na poziomie komórkowym; ale ich znaczenie zależy od organizmu, w którym się znajdują.

Rozporządzenie

Ogromne zróżnicowanie strukturalne cyklaz adenylowych wykazuje dużą podatność na wiele form regulacji, co pozwala im na integrację z wieloma różnymi szlakami sygnalizacji komórkowej.

Aktywność katalityczna niektórych z tych enzymów zależy od alfa-ketokwasów, podczas gdy inne mają znacznie bardziej złożone mechanizmy regulacyjne obejmujące podjednostki regulatorowe (poprzez stymulację lub hamowanie), które zależą na przykład od wapnia i innych ogólnie rozpuszczalnych czynników, a także innych białek.

Wiele cyklaz adenylanowych jest regulowanych negatywnie przez podjednostki niektórych białek G (hamują ich funkcję), podczas gdy inne wywierają silniejsze działanie aktywujące.

Bibliografia

1. Cooper, DMF (2003). Regulacja i organizacja cyklaz adenylowych i cAMP. Biochemical Journal, 375, 517-529.
2. Cooper, D., Mons, N. i Karpen, J. (1995). Cyklazy adenylylowe i interakcja między sygnalizacją wapnia i cAMP. Naturę, 374, 421-424.
3. Danchin, A. (1993). Filogeneza cyklaz adenylowych. Advances in Second Messenger and Phosphoprotein Research, 27, 109–135.
4. Hanoune, J. i Defer, N. (2001). Regulacja i rola izoform cyklazy adenylowej. Ann. Rev. Pharmacol. Toxicol. 41, 145-174.
5. Linder, U., & Schultz, JE (2003). Cyklazy adenylowe klasy III: wielofunkcyjne moduły sygnalizacyjne. Cellular Signaling, 15, 1081–1089.
6. Tang, W. i Gilman, AG (1992). Cyklazy adenylylowe. Celi, 70, 669–672.