Las histidina quinasas ( HK ) son proteínas multifuncionales, y en los reinos no animales, típicamente transmembrana , de la clase de enzimas transferasas que desempeñan un papel en la transducción de señales a través de la membrana celular. [1] La gran mayoría de las HK son homodímeros que exhiben actividad autoquinasa , fosfotransferencia y fosfatasa . Las HK pueden actuar como receptores celulares para moléculas de señalización de forma análoga a los receptores de tirosina quinasa (RTK). Las moléculas receptoras multifuncionales, como las HK y las RTK, suelen tener porciones en el exterior de la célula ( dominio extracelular ) que se unen a moléculas similares a hormonas o factores de crecimiento , porciones que atraviesan la membrana celular ( dominio transmembrana ) y porciones dentro de la célula ( dominio intracelular ) que contienen la actividad enzimática. Además de la actividad quinasa , los dominios intracelulares suelen tener regiones que se unen a una molécula efectora secundaria o a un complejo de moléculas que propagan aún más la transducción de señales dentro de la célula. A diferencia de otras clases de proteínas quinasas , las HK suelen ser parte de mecanismos de transducción de señales de dos componentes en los que la HK transfiere un grupo fosfato del ATP a un residuo de histidina dentro de la quinasa y luego a un residuo de aspartato en el dominio receptor de una respuesta. proteína reguladora (o a veces en la propia quinasa). Más recientemente, se ha reconocido en células humanas la existencia generalizada de fosforilación de proteínas histidina distinta de la de las histidina quinasas de dos componentes. [2] [3] En marcado contraste con la fosforilación de Ser, Thr y Tyr, el análisis de histidina fosforilada utilizando enfoques bioquímicos y espectrométricos de masas estándar es mucho más desafiante, [4] [5] y se requieren procedimientos y técnicas de separación especiales para su preservación junto con la fosforilación clásica de Ser, Thr y Tyr en proteínas aisladas de células humanas. [6]
En términos de enzimología , una histidina quinasa ( EC 2.7.13.3, EnvZ , histidina proteína quinasa , proteína histidina quinasa , proteína quinasa (histidina) , HK1 , HP165 , Sln1p ) es una enzima que cataliza la reacción química.
Así, los dos sustratos de esta enzima son el ATP y la proteína L- histidina , mientras que sus dos productos son el ADP y la proteína N-fosfo-L-histidina.
Este tipo de enzima participa en vías de transducción de señales aguas arriba de muchos procesos celulares, incluidas diversas vías metabólicas, de virulencia y homeostáticas.
El mecanismo de las reacciones catalizadas por la histidina quinasa no se ha dilucidado completamente, pero la evidencia actual sugiere que el dominio catalítico de una unidad dimérica puede girar de tal manera que la bolsa de unión de ATP de esa unidad puede entrar en contacto con un residuo de histidina particular. en la unidad opuesta y una adición nucleofílica da como resultado una histidina fosforilada. [7]
Una HK se compone de varios dominios que comienzan con una porción citoplásmica N-terminal corta conectada a un dominio de detección extracelular a través de una hélice α transmembrana . Una segunda hélice α transmembrana conecta el dominio extracelular con el dominio catalítico citoplasmático C-terminal . Se sabe que las HK desempeñan funciones en muchas vías de transducción de señales diferentes, por lo que no sorprende que el dominio de detección extracelular no esté muy bien conservado en la familia HK. Por el contrario, el dominio citoplasmático tiende a tener una alta homología de secuencia y contiene varios motivos bien conocidos . Estos motivos incluyen los cuadros H, N, G1, F y G2. [8] La caja H de autofosforilación está contenida en el dominio de dimerización N-terminal y fosfotransferencia de histidina (DHp). En HK853-CD, cristalizado de Thermotoga maritima , este dominio es una horquilla helicoidal y está formado por los residuos 232-317. El sitio de fosforilación de histidina se encuentra en His-260. Las cajas N, G1, F y G2 están contenidas en el dominio catalítico C-terminal y de unión a ATP (CA). Este dominio está formado por los residuos 323-489 y forma una estructura conocida como pliegue sándwich α/β. Este pliegue en particular tiene una capa compuesta por una lámina β de cinco hebras y la otra capa está formada por tres hélices α.
La unidad dimérica se mantiene unida mediante un haz de cuatro hélices, formado cuando los segmentos C-terminales de las hélices α1 de cada subunidad interactúan de manera antiparalela con ambas hélices α2. La estabilidad del dímero se ve favorecida por varias interacciones en la interfaz entre las DHps de cada monómero. Estos incluyen interacciones hidrofóbicas entre residuos hidrofóbicos conservados , así como dos enlaces de hidrógeno (Thr-252 ... Glu-316' y Arg-263 ... Asn-307') y un puente salino (Lys-270 ... Glu- 303'). Otras interacciones están mediadas por enlaces de hidrógeno con el agua dentro de una cavidad dentro de la bobina enrollada y flanqueada por residuos hidrofóbicos.
La bolsa de unión de nucleótidos / ATP está contenida dentro del dominio CA y la similitud estructural de esta bolsa es alta entre la mayoría de las HK. La cavidad de CheA, también cristalizada de T. maritima, está formada primero por la lámina β P4 en la parte posterior y los lados de la cavidad están formados por los 4 motivos mencionados anteriormente, las cajas N, G1, F y G2. [9] La mayoría de los residuos procedentes de la lámina β son hidrófobos, siendo Asp449 la excepción. Este residuo es invariante y forma un enlace de hidrógeno junto con una molécula de agua con el grupo adenina amina. Otras tres moléculas de agua forman enlaces de hidrógeno directos con la base de adenina. Un ion Mg 2+ forma un puente entre los tres fosfatos y un residuo de Asn invariante. Finalmente, dos moléculas de agua más completan la coordinación octaédrica con Mg 2+ y están unidas a Arg-408 y His-405. Cuando el fosfato γ del ATP se desestabiliza, el Mg 2+ ya no se observa debido a su incapacidad para coordinarse octaédricamente. Marina et al. argumentan que se produce una coordinación similar de Mg 2+ en HK853, pero que no se observa debido al uso del análogo de ATP AMPPNP en la estructura cristalina. [7] Durante la cristalización, el análogo se hidrolizó en un producto similar al ADP.
El lado final del bolsillo de encuadernación de ATP se denomina convenientemente "tapa de ATP". La estabilidad de esta estructura está mediada por la presencia del fosfato γ y, por tanto, del ion Mg 2+ en el sitio de unión. También se ha demostrado que la presencia de la base nucleotídica desempeña un papel importante en la estabilización de la tapa en una conformación cerrada . La tapa de ATP está conectada mediante residuos hidrófobos al resto de la proteína. El fosfato γ del ATP está algo expuesto, lo que permite la desfosforilación . Tras la unión de ATP en esta bolsa, se cree que se produce un cambio conformacional que permite que la rotación del dominio CA entre en contacto con la DHp del otro monómero y, por lo tanto, permite que el His-260 conservado descanse cerca del fosfato γ. Luego, el Nε de His-260 ataca el fosfato γ de ATP en una adición nucleofílica y elimina el ADP como grupo saliente.
Un sistema de dos componentes (TCS), que incluye histidina quinasa y una proteína reguladora de respuesta variable , puede ser fundamental para la virulencia de algunas cepas de hongos como Candida albicans , que a menudo es responsable de causar candidiasis en personas inmunocomprometidas . [10] C. albicans con una deleción de CHK1, el gen de la histidina quinasa de dos componentes, muestra defectos en la morfogénesis y una disminución drástica en la capacidad de la célula para resistir la eliminación por parte de los neutrófilos humanos . Como los humanos carecen de este sistema de dos componentes, puede ser un buen objetivo para los agentes antimicrobianos para tratar la candidiasis .
Al igual que los hongos, también se pueden encontrar sistemas de dos componentes en varias infecciones bacterianas persistentes. Por ejemplo, se informó que Staphylococcus aureus utiliza SrrAB TCS que consisten en un sensor HK (SrrB), que transferiría el grupo fosfato a un regulador de respuesta efector (SrrA), lo que llevaría a la modificación de la actividad de SrrA, incluida la regulación genética. Este TCS ha sido utilizado por S. aureus para detectar cambios en las condiciones ambientales y transmitir la señal a un sistema de respuesta apropiado; por ejemplo, SrrAB induce genes ica para mediar en el ensamblaje celular y la formación de biopelículas para sobrevivir en condiciones anaeróbicas. [11]
