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Adenilil ciclasa soluble

La adenilil ciclasa soluble (sAC) es una enzima citosólica reguladora presente en casi todas las células. La sAC es una fuente de adenosina 3',5' monofosfato cíclico (cAMP), un segundo mensajero que media el crecimiento y la diferenciación celular en organismos desde bacterias hasta eucariotas superiores. La sAC se diferencia de la adenilil ciclasa transmembrana (tmAC) , una fuente importante de cAMP; en que la sAC está regulada por aniones de bicarbonato y se dispersa por todo el citoplasma celular. Se ha descubierto que la sAC tiene varias funciones en sistemas fisiológicos diferentes de las de las tmAC. [1]

Contexto genómico y resumen

A
Estructura del gen : Cromosoma: 1; NC_000001.10 (167778625..167883453, complemento)

El sAC está codificado en un único gen del Homo sapiens identificado como ADCY10 o Adenilato ciclasa 10 (soluble). Este gen contiene 33 exones que comprenden más de 100 kb; sin embargo, parece utilizar múltiples promotores, [2] [3] y su ARNm sufre un empalme alternativo extenso. [2] [3] [4] [5]

Estructura

El sAC funcional de los mamíferos consta de dos dominios catalíticos heterólogos (C1 y C2), que forman el extremo amino de 50 kDa de la proteína. [6] [7] El extremo C adicional de ~140 kDa de la enzima incluye una región autoinhibitoria, [8] un bucle P canónico, un dominio potencial de unión al hemo, [9] y una secuencia similar a una cremallera de leucina, [10] que son una forma de supuestos dominios reguladores.

Una forma truncada de la enzima solo incluye los dominios C1 y C2 y se la conoce como la variante funcional mínima de sAC. [5] [10] Esta forma truncada de sAC tiene una actividad formadora de AMPc mucho mayor que su tipo de longitud completa. Estas variantes de sAC son estimuladas por HCO3- y responden a todos los inhibidores selectivos de sAC conocidos. [6] Las estructuras cristalinas de esta variante de sAC que comprenden solo el núcleo catalítico, en forma de apo y en un complejo con varios análogos de sustrato, productos y reguladores, revelan una arquitectura genérica de AC de Clase III con características específicas de sAC. [11] Los dominios estructuralmente relacionados C1 y C2 forman el pseudoheterodímero típico, con un sitio activo. [6] El sitio pseudosimétrico acomoda el activador específico de sAC HCO3−, que se activa desencadenando un reordenamiento de Arg176, un residuo que conecta ambos sitios. El inhibidor aniónico de sAC, ácido 4,4′-diisotiocianatostilbeno-2,2′-disulfónico (DIDS), actúa como bloqueador de la entrada al sitio activo y al bolsillo de unión del bicarbonato. [11]

Activación por bicarbonato (HCO−3) y calcio (Ca2+)

La unión y ciclización del adenosín 5' trifosfato (ATP) al sitio catalítico activo de la enzima está coordinada por dos cationes metálicos. La actividad catalítica de sAC aumenta con la presencia de manganeso [Mn 2+ ]. La actividad de magnesio [Mg 2+ ] de sAC está regulada por calcio [Ca 2+ ], que aumenta la afinidad por el ATP de sAC de mamíferos. Además, el bicarbonato [HCO − 3 ] libera la inhibición del sustrato ATP-Mg 2+ y aumenta la Vmax de la enzima. [12]

El estado de conformación abierta de sAC se alcanza cuando el ATP, con Ca 2+ unido a su γ-fosfato se une a residuos específicos en el centro catalítico de la enzima. Cuando el segundo metal, un ion Mg 2+ , se une al α-fosfato del ATP conduce a un cambio conformacional de la enzima: el estado cerrado . El cambio de conformación del estado abierto al cerrado induce la esterificación del α-fosfato con la ribosa en adenosina y la liberación de los β- y γ-fosfatos, esto conduce a la ciclización. [7] El hidrogenocarbonato estimula la Vmax de la enzima al promover el cambio alostérico que conduce al cierre del sitio activo, el reclutamiento del ion catalítico Mg 2+ y el reajuste de los fosfatos en el ATP unido. [13] El bicarbonato activador se une a un sitio pseudosimétrico al sitio activo y desencadena cambios conformacionales al reclutar Arg176 del sitio activo (ver arriba - "estructura"). [11] El calcio aumenta la afinidad del sustrato al reemplazar el magnesio en el sitio del ion B, que proporciona un punto de anclaje para los fosfatos beta y gamma del sustrato ATP. [11] [13]

Fuentes de bicarbonato (HCO−3)y calcio (Ca2+)

Efectos fisiológicos

Cerebro y sistema nervioso

Los astrocitos expresan varias variantes de empalme de sAC, [14] que están involucradas en el acoplamiento metabólico entre neuronas y astrocitos . El aumento de potasio [K + ] en el espacio extracelular causado por la actividad neuronal despolariza la membrana celular de los astrocitos cercanos y facilita la entrada de hidrogenocarbonato a través de cotransportadores Na + /HCO − 3 -. [7] El aumento de hidrogenocarbonato citosólico activa sAC; el resultado de esta activación es la liberación de lactato para su uso como fuente de energía por las neuronas .

Hueso

Existen numerosas variantes de empalme de sAC en osteoclastos y osteoblastos [3], y la mutación en el gen sAC humano está asociada con una densidad espinal baja. [15] La calcificación por osteoblastos está intrínsecamente relacionada con el bicarbonato y el calcio. Los experimentos de densidad ósea en calotas de ratones cultivadas [16] indican que el sAC sensible al HCO − 3 es un regulador fisiológico apropiado de la formación y/o reabsorción ósea.

Esperma

La activación de sAC por bicarbonato es necesaria para la motilidad y otros aspectos de la capacitación en los espermatozoides de los mamíferos. [17] [18] En los hombres, las mutaciones en el gen ADCY10 que conducen a la inactivación de sAC se han relacionado con casos de esterilidad. [19] Debido a este papel esencial en la fertilidad masculina, sAC se ha explorado como un objetivo potencial para la anticoncepción masculina no hormonal . [20]

Referencias

  1. ^ Rossetti T, Jackvony S, Buck J, Levin LR (abril de 2021). "Detección de bicarbonato, dióxido de carbono y pH a través de la adenilil ciclasa soluble regulada por bicarbonato en mamíferos". Interface Focus . 11 (2): 20200034. doi :10.1098/rsfs.2020.0034. PMC  7898154 . PMID  33633833.
  2. ^ ab Farrell J, Ramos L, Tresguerres M, Kamenetsky M, Levin LR, Buck J (septiembre de 2008). "Las isoformas de adenilato ciclasa 'soluble' somática no se ven afectadas en ratones Sacy tm1Lex/Sacy tm1Lex 'knockout'". PLOS ONE . ​​3 (9): e3251. Bibcode :2008PLoSO...3.3251F. doi : 10.1371/journal.pone.0003251 . PMC 2532759 . PMID  18806876. 
  3. ^ abc Geng W, Wang Z, Zhang J, Reed BY, Pak CY, Moe OW (junio de 2005). "Clonación y caracterización de la adenilil ciclasa soluble humana". American Journal of Physiology. Fisiología celular . 288 (6): C1305–C1316. doi :10.1152/ajpcell.00584.2004. PMID  15659711. S2CID  1638649.
  4. ^ Schmid A, Sutto Z, Nlend MC, Horvath G, Schmid N, Buck J, et al. (julio de 2007). "La adenilil ciclasa soluble se localiza en los cilios y contribuye a la regulación de la frecuencia del batido ciliar a través de la producción de AMPc". The Journal of General Physiology . 130 (1): 99–109. doi :10.1085/jgp.200709784. PMC 2154360 . PMID  17591988. 
  5. ^ ab Jaiswal BS, Conti M (agosto de 2001). "Identificación y análisis funcional de variantes de empalme de la adenilil ciclasa soluble de células germinales". The Journal of Biological Chemistry . 276 (34): 31698–31708. doi : 10.1074/jbc.m011698200 . PMID  11423534.
  6. ^ abc Steegborn C (diciembre de 2014). "Estructura, mecanismo y regulación de las adenilil ciclasas solubles: similitudes y diferencias con las adenilil ciclasas transmembrana". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bases moleculares de las enfermedades . 1842 (12 Pt B): 2535–2547. doi : 10.1016/j.bbadis.2014.08.012 . PMID  25193033.
  7. ^ abc Tresguerres M, Levin LR, Buck J (junio de 2011). "Señalización intracelular de AMPc por adenilato ciclasa soluble". Kidney International . 79 (12): 1277–1288. doi :10.1038/ki.2011.95. PMC 3105178 . PMID  21490586. 
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Lectura adicional