Adenylyl cyclase - Adenylyl cyclase

Adenylyl cyclase
1pk0.jpg
Adenylatcyclase (calmodulinfølsom) trimer, Bacillus anthracis
Epinephrine binder dets receptor, der associeres med et heterotrimert G -protein. G -proteinet associeres med adenylylcyclase, som omdanner ATP til cAMP og spreder signalet.
Identifikatorer
EF -nr. 4.6.1.1
CAS -nr. 9012-42-4
Databaser
IntEnz IntEnz -visning
BRENDA BRENDA indgang
ExPASy NiceZyme udsigt
KEGG KEGG -indtastning
MetaCyc metabolisk vej
PRIAM profil
PDB -strukturer RCSB PDB PDBe PDBsum
Genontologi AmiGO / QuickGO

Adenylylcyclase ( EC 4.6.1.1 , også almindeligvis kendt som adenylcyclase og adenylatcyclase , forkortet AC ) er et enzym med centrale regulatoriske roller i stort set alle celler . Det er den mest polyphyletic kendte enzym: seks særskilte klasser er blevet beskrevet, alle katalyserer den samme reaktion, men repræsenterer ikke-beslægtede gen familier uden kendt sekvens eller strukturel homologi . Den mest kendte klasse af adenylyl-cyklusser er klasse III eller AC-III (romertal bruges til klasser). AC-III forekommer bredt i eukaryoter og har vigtige roller i mange menneskelige væv .

Alle klasser af adenylylcyclase katalyserer omdannelsen af adenosintrifosfat (ATP) til 3 ', 5'-cyklisk AMP (cAMP) og pyrophosphat . Magnesium ioner kræves generelt og synes at være tæt involveret i den enzymatiske mekanisme. CAMP produceret af AC fungerer herefter som et regulatorisk signal via specifikke cAMP-bindende proteiner , enten transkriptionsfaktorer , enzymer (for eksempel cAMP-afhængige kinaser ), eller ion transportører .

Adenylylcyclase katalyserer omdannelsen af ATP til 3 ', 5'-cyklisk AMP .

Klasser

Klasse I

Adenylatcyklase, klasse-I
Identifikatorer
Symbol Adenylat_cykl
Pfam PF01295
InterPro IPR000274
PROSIT PDOC00837

Den første klasse af adenylylcyklaser forekommer i mange bakterier, herunder E. coli (som CyaA P00936 [ikke relateret til klasse II -enzymet]). Dette var den første klasse af AC, der blev karakteriseret. Det blev observeret, at E. coli frataget glucose producerer cAMP, der tjener som et internt signal til at aktivere ekspression af gener til import og metabolisering af andet sukker. cAMP udøver denne effekt ved at binde transkriptionsfaktoren CRP , også kendt som CAP. Klasse I AC'er er store cytosoliske enzymer (~ 100 kDa) med et stort regulatorisk domæne (~ 50 kDa), der indirekte registrerer glukoseniveauer. Fra 2012 er der ingen krystalstruktur tilgængelig for klasse I AC.

Nogle indirekte strukturelle oplysninger er tilgængelige for denne klasse. Det vides, at den N-terminale halvdel er den katalytiske del, og at den kræver to Mg 2+ ioner. S103, S113, D114, D116 og W118 er de fem absolut essentielle rester. Klasse I katalytiske domæne ( Pfam PF12633 ) tilhører samme superfamilien ( Pfam CL0260 ) som håndfladen domænet af DNA-polymerase-beta ( Pfam PF18765 ). Ved at tilpasse sin sekvens til strukturen på en beslægtet archaeal CCA-tRNA-nukleotidyltransferase ( PDB : 1R89 ) muliggør tildeling af resterne til specifikke funktioner: y-phosphatbinding , strukturel stabilisering, DxD-motiv til metalionbinding og endelig ribosebinding.

Klasse II

Disse adenylyl -cyklusser er toksiner udskilt af patogene bakterier, såsom Bacillus anthracis , Bordetella pertussis , Pseudomonas aeruginosa og Vibrio vulnificus under infektioner. Disse bakterier udskiller også proteiner, der gør det muligt for AC-II at komme ind i værtsceller, hvor den eksogene AC-aktivitet undergraver normale cellulære processer. Generne for klasse II AC'er er kendt som cyaA , hvoraf den ene er miltbrandstoksin . Flere krystalstrukturer er kendt for AC-II-enzymer.

Klasse III

Adenylyl cyclase klasse-3/guanylyl cyclase
Identifikatorer
Symbol Guanylat_cyc
Pfam PF00211
Pfam klan CL0276
InterPro IPR001054
SMART SM00044
PROSIT PS50125
SCOP2 1tl7 / SCOPe / SUPFAM
TCDB 8.A.85
OPM superfamilie 546
OPM -protein 6r3q

Disse adenylyl -cyklusser er de mest kendte baseret på omfattende undersøgelser på grund af deres vigtige roller i menneskers sundhed. De findes også i nogle bakterier, især Mycobacterium tuberculosis, hvor de ser ud til at have en central rolle i patogenesen. De fleste AC-III'er er integrerede membranproteiner involveret i transducering af ekstracellulære signaler til intracellulære responser. En nobelpris blev tildelt Earl Sutherland i 1971 for at opdage AC-III's nøglerolle i menneskelig lever, hvor adrenalin indirekte stimulerer AC til at mobilisere lagret energi i "kamp eller flugt" -responsen. Effekten af ​​adrenalin er via en G -proteinsignaleringskaskade , som transmitterer kemiske signaler fra ydersiden af ​​cellen på tværs af membranen til cellens inderside ( cytoplasma ). Det ydre signal (i dette tilfælde adrenalin) binder til en receptor, som sender et signal til G -proteinet, som sender et signal til adenylylcyclase, som sender et signal ved at omdanne adenosintrifosfat til cyklisk adenosinmonophosphat (cAMP). cAMP er kendt som en anden messenger .

Cyklisk AMP er et vigtigt molekyle i eukaryot signaltransduktion , en såkaldt anden messenger . Adenylyl -cyklusser aktiveres eller inhiberes ofte af G -proteiner , som er koblet til membranreceptorer og dermed kan reagere på hormonelle eller andre stimuli. Efter aktivering af adenylylcyclase fungerer den resulterende cAMP som en anden messenger ved at interagere med og regulere andre proteiner, såsom proteinkinase A og cykliske nukleotid-gatede ionkanaler .

Fotoaktiveret adenylylcyclase (PAC) blev opdaget i Euglena gracilis og kan udtrykkes i andre organismer gennem genetisk manipulation. Skinnende blåt lys på en celle indeholdende PAC aktiverer det og øger pludselig omdannelseshastigheden af ​​ATP til cAMP. Dette er en nyttig teknik for forskere inden for neurovidenskab, fordi den giver dem mulighed for hurtigt at øge de intracellulære cAMP -niveauer i især neuroner og studere effekten af ​​denne stigning i neural aktivitet på organismens adfærd. En grøn-lysaktiveret rhodopsin-adenylylcyclase (CaRhAC) er for nylig blevet konstrueret ved at ændre nuklecotidbindingslommen af ​​rhodopsin guanylylcyclase .

Struktur

Struktur af adenylylcyclase

De fleste klasse III adenylyl -cyklusser er transmembrane proteiner med 12 transmembransegmenter. Proteinet er organiseret med 6 transmembransegmenter, derefter C1 -cytoplasmatisk domæne, derefter yderligere 6 membransegmenter og derefter et andet cytoplasmatisk domæne kaldet C2. De vigtige dele til funktionen er N-terminalen og C1- og C2-regionerne. C1a og C2a underdomæner er homologe og danner en intramolekylær 'dimer', der danner det aktive sted. Ved Mycobacterium tuberculosis og mange andre bakterielle tilfælde er AC-III-polypeptidet kun halvt så langt, omfattende et 6-transmembrandomæne efterfulgt af et cytoplasmatisk domæne, men to af disse danner en funktionel homodimer, der ligner pattedyrsarkitekturen med to aktive steder. I ikke-dyreklasse III AC'er ses det katalytiske cytoplasmatiske domæne forbundet med andre (ikke nødvendigvis transmembrane) domæner.

Klasse III adenylylcyclase -domæner kan yderligere opdeles i fire underfamilier, betegnet klasse IIIa til IIId. Dyremembranbundne AC'er tilhører klasse IIIa.

Mekanisme

Reaktionen sker med to metalkofaktorer (Mg eller Mn) koordineret til de to aspartatrester på C1. De udfører et nukleofilt angreb af 3'-OH-gruppen af ​​ribosen på α-phosphorylgruppen af ​​ATP. De to lysin- og aspartatrester på C2 vælger ATP frem for GTP for substratet, så enzymet ikke er en guanylylcyclase. Et par arginin- og asparaginrester på C2 stabiliserer overgangstilstanden. I mange proteiner muteres disse rester ikke desto mindre, mens adenylylcyclase -aktiviteten bevares.

Typer

Der er ti kendte isoformer af adenylyl -cyklusser hos pattedyr :

Disse kaldes også nogle gange simpelthen AC1, AC2 osv., Og lidt forvirrende bruges undertiden romertal til disse isoformer, der alle tilhører den overordnede AC -klasse III. De adskiller sig hovedsageligt i hvordan de reguleres og udtrykkes differentielt i forskellige væv under pattedyrsudvikling.

Regulering

Adenylylcyclase reguleres af G -proteiner, som kan findes i den monomere form eller heterotrimeriske form, der består af tre underenheder. Adenylylcyclase -aktivitet styres af heterotrimeriske G -proteiner. Den inaktive eller hæmmende form eksisterer, når komplekset består af alfa-, beta- og gamma -underenheder, hvor BNP er bundet til alfa -underenheden. For at blive aktiv skal en ligand binde til receptoren og forårsage en konformationsændring. Denne konformationsændring får alfa -underenheden til at dissociere sig fra komplekset og blive bundet til GTP. Dette G-alfa-GTP-kompleks binder derefter til adenylylcyclase og forårsager aktivering og frigivelse af cAMP. Da et godt signal kræver hjælp af enzymer, som hurtigt tænder og slukker signaler, skal der også være en mekanisme, hvor adenylylcyclase deaktiverer og hæmmer cAMP. Deaktiveringen af ​​det aktive G-alfa-GTP-kompleks opnås hurtigt ved GTP-hydrolyse på grund af, at reaktionen katalyseres af den iboende enzymatiske aktivitet af GTPase lokaliseret i alfa-underenheden. Det er også reguleret af forskolin samt andre isoformspecifikke effektorer:

  • Isoformer I, III og VIII stimuleres også af Ca2 + / calmodulin .
  • Isoformer V og VI inhiberes af Ca2 + på en calmodulin-uafhængig måde.
  • Isoformer II, IV og IX stimuleres af alfa -underenheden af ​​G -proteinet.
  • Isoformer I, V og VI hæmmes tydeligst af Gi, mens andre isoformer viser mindre dobbeltregulering af det hæmmende G -protein.
  • Opløselig AC (sAC) er ikke en transmembranform og er ikke reguleret af G -proteiner eller forskolin, men fungerer i stedet som en bicarbonat/pH -sensor. Den er forankret forskellige steder i cellen og danner med phosphodiesteraser lokale cAMP -signaldomæner.

I neuroner , er calcium-sensitive adenylylcyclaser placeret ud for calcium -ionkanaler til hurtigere reaktion på Ca 2+ tilstrømning; de mistænkes for at spille en vigtig rolle i læreprocesser. Dette understøttes af, at adenylyl -cyklusser er tilfældighedsdetektorer , hvilket betyder, at de kun aktiveres af flere forskellige signaler, der forekommer sammen. I perifere celler og væv synes adenylylcyklasser at danne molekylære komplekser med specifikke receptorer og andre signalproteiner på en isoformspecifik måde.

Fungere

Adenylylcyclase har været impliceret i hukommelsesdannelse, der fungerer som en tilfældighedsdetektor .

Klasse IV

Adenylyl cyclase CyaB
Identifikatorer
Symbol CyaB
InterPro IPR008173
CATH 1ÅR
SCOP2 2ACA / SCOPe / SUPFAM
CDD cd07890

AC-IV blev først rapporteret i bakterien Aeromonas hydrophila , og strukturen af ​​AC-IV fra Yersinia pestis er blevet rapporteret. Disse er de mindste af AC -enzymklasserne; AC-IV (CyaB) fra Yersinia er en dimer på 19 kDa-underenheder uden kendte regulatoriske komponenter ( PDB : 2FJT ). AC-IV danner en superfamilie med mamallian thiamin-triphosphatase kaldet CYTH (CyaB, thiamin triphosphatase).

Klasse V og VI

AC klasse VI (DUF3095)
Identifikatorer
Symbol DUF3095
Pfam PF11294
InterPro IPR021445
kontaktforudsigelse

Disse former for AC er blevet rapporteret i specifikke bakterier (henholdsvis Prevotella ruminicola O68902 og Rhizobium etli Q8KY20 ) og er ikke blevet udførligt karakteriseret. Der er et par ekstra medlemmer (~ 400 i Pfam) kendt for at være i klasse VI. Klasse VI -enzymer besidder en katalytisk kerne, der ligner den i klasse III.

Yderligere billeder

Referencer

Yderligere læsning

  • Sodeman W, Sodeman T (2005). "Fysiologiske og adenylatcyklase-koblede beta-adrenerge receptorer". Sodemans patologiske fysiologi: sygdomsmekanismer . WB Saunders Co. s. 143–145. ISBN 978-0721610108.

eksterne links