La adenilato quinasa ( EC 2.7.4.3) (también conocida como ADK o mioquinasa ) es una enzima fosfotransferasa que cataliza la interconversión de los diversos fosfatos de adenosina (ATP, ADP y AMP). Al monitorear constantemente los niveles de nucleótidos de fosfato dentro de la célula, la ADK desempeña un papel importante en la homeostasis energética celular .
La reacción catalizada es:
ATP + AMP ⇔ 2 ADP
La constante de equilibrio varía con la condición, pero es cercana a 1. [1] Por lo tanto, ΔG o para esta reacción es cercano a cero. En el músculo de una variedad de especies de vertebrados e invertebrados, la concentración de ATP es típicamente 7-10 veces la de ADP , y usualmente mayor a 100 veces la de AMP . [2] La tasa de fosforilación oxidativa está controlada por la disponibilidad de ADP. Por lo tanto, la mitocondria intenta mantener altos los niveles de ATP debido a la acción combinada de la adenilato quinasa y los controles sobre la fosforilación oxidativa .
Hasta la fecha se han identificado nueve isoformas de la proteína ADK humana . Si bien algunas de ellas son ubicuas en todo el cuerpo, otras se localizan en tejidos específicos. Por ejemplo, ADK7 y ADK8 solo se encuentran en el citosol de las células; y ADK7 se encuentra en el músculo esquelético, mientras que ADK8 no. [3] No solo varían las ubicaciones de las diversas isoformas dentro de la célula, sino que también varían la unión del sustrato a la enzima y la cinética de la transferencia de fosforilo. ADK1, la isoenzima ADK citosólica más abundante, tiene una K m aproximadamente mil veces mayor que la K m de ADK7 y 8, lo que indica una unión mucho más débil de ADK1 a AMP. [4] La localización subcelular de las enzimas ADK se realiza mediante la inclusión de una secuencia de orientación en la proteína. [3] Cada isoforma también tiene una preferencia diferente por los NTP. Algunos sólo utilizarán ATP, mientras que otros aceptarán GTP, UTP y CTP como transportadores de fosforilo.
Algunas de estas isoformas prefieren otros NTP por completo. Existe una fosfotransferasa mitocondrial GTP:AMP, también específica para la fosforilación de AMP, que solo puede usar GTP o ITP como donante de fosforilo. [5] También se ha identificado ADK en diferentes especies bacterianas y en levaduras. [6] Se sabe que otras dos enzimas están relacionadas con la familia ADK, es decir, la uridina monofosfoquinasa de levadura y la quinasa UMP-CMP de moho mucilaginoso. Algunos residuos se conservan en estas isoformas, lo que indica lo esenciales que son para la catálisis. Una de las áreas más conservadas incluye un residuo Arg, cuya modificación inactiva la enzima, junto con un Asp que reside en la hendidura catalítica de la enzima y participa en un puente salino.
La transferencia de fosforilo solo ocurre al cerrar la "tapa abierta". Esto provoca una exclusión de moléculas de agua que acerca los sustratos entre sí, [7] reduciendo la barrera energética para el ataque nucleofílico del α-fosforilo del AMP sobre el grupo γ-fosforilo del ATP, lo que da como resultado la formación de ADP por transferencia del grupo γ-fosforilo al AMP. En la estructura cristalina de la enzima ADK de E. coli con inhibidor Ap5A, el residuo Arg88 se une a Ap5A en el grupo α-fosfato. Se ha demostrado que la mutación R88G da como resultado una pérdida del 99% de la actividad catalítica de esta enzima, lo que sugiere que este residuo está íntimamente involucrado en la transferencia de fosforilo. [8] Otro residuo altamente conservado es Arg119, que se encuentra en la región de unión de la adenosina de la ADK y actúa para intercalar la adenina en el sitio activo. Se ha sugerido que la promiscuidad de estas enzimas a la hora de aceptar otros NTP se debe a estas interacciones relativamente intrascendentes de la base en el bolsillo de unión del ATP. [9] Una red de residuos positivos y conservados (Lys13, Arg123, Arg156 y Arg167 en ADK de E. coli ) estabiliza la acumulación de carga negativa en el grupo fosforilo durante la transferencia. Dos residuos de aspartato distales se unen a la red de arginina, lo que hace que la enzima se pliegue y reduce su flexibilidad. También se requiere un cofactor de magnesio , esencial para aumentar la electrofilicidad del fosfato en el AMP, aunque este ion de magnesio solo se mantiene en el bolsillo activo por interacciones electrostáticas y se disocia fácilmente. [9]
La flexibilidad y la plasticidad permiten que las proteínas se unan a ligandos , formen oligómeros , se agreguen y realicen trabajo mecánico. [10] Los grandes cambios conformacionales en las proteínas desempeñan un papel importante en la señalización celular. La adenilato quinasa es una proteína transductora de señales; por lo tanto, el equilibrio entre las conformaciones regula la actividad proteica. La ADK tiene un estado desplegado localmente que se despobla al unirse. [11]
Un estudio de 2007 realizado por Whitford et al. muestra las conformaciones de ADK cuando se une con ATP o AMP. [10] El estudio muestra que hay tres conformaciones o estructuras relevantes de ADK: CORE, abierta y cerrada. En ADK, hay dos dominios pequeños llamados LID y NMP. [12] El ATP se une en el bolsillo formado por los dominios LID y CORE. El AMP se une en el bolsillo formado por los dominios NMP y CORE. El estudio de Whitford también informó hallazgos que muestran que las regiones localizadas de una proteína se despliegan durante las transiciones conformacionales. Este mecanismo reduce la tensión y mejora la eficiencia catalítica. El desplegamiento local es el resultado de energías de tensión competitivas en la proteína. [10]
Se ha demostrado que la estabilidad local (termodinámica) de los dominios de unión al sustrato ATP lid y AMP lid es significativamente menor en comparación con el dominio CORE en ADK E. coli . [13] Además, se ha demostrado que los dos subdominios (ATP lid y AMP lid ) pueden plegarse y desplegarse de una "manera no cooperativa". [13] La unión de los sustratos provoca preferencia por conformaciones "cerradas" entre las que son muestreadas por ADK. Se plantea la hipótesis de que estas conformaciones "cerradas" ayudan a eliminar el agua del sitio activo para evitar la hidrólisis derrochadora de ATP, además de ayudar a optimizar la alineación de los sustratos para la transferencia de fosforilo. [14] Además, se ha demostrado que la apoenzima seguirá muestreando las conformaciones "cerradas" de los dominios ATP lid y AMP lid en ausencia de sustratos. [7] Al comparar la velocidad de apertura de la enzima (que permite la liberación del producto) y la velocidad de cierre que acompaña la unión del sustrato, se encontró que el cierre era el proceso más lento.
La capacidad de una célula para medir dinámicamente los niveles energéticos le proporciona un método para monitorear los procesos metabólicos. [15] Al monitorear y alterar continuamente los niveles de ATP y otros fosfatos de adenilo (niveles de ADP y AMP), la adenilato quinasa es un importante regulador del gasto de energía a nivel celular. [16] A medida que los niveles de energía cambian bajo diferentes tensiones metabólicas, la adenilato quinasa puede generar AMP; que a su vez actúa como una molécula de señalización en cascadas de señalización adicionales. Este AMP generado puede, por ejemplo, estimular varios receptores dependientes de AMP, como los involucrados en las vías glucolíticas, los canales K-ATP y la proteína quinasa activada por AMP 5' ( AMPK ). [15] Los factores comunes que influyen en los niveles de nucleótidos de adenina y, por lo tanto, en la actividad de ADK son el ejercicio, el estrés, los cambios en los niveles hormonales y la dieta. [15] Facilita la decodificación de la información celular al catalizar el intercambio de nucleótidos en la "zona de detección" íntima de los sensores metabólicos. [15]
La adenilato quinasa está presente en los compartimentos mitocondriales y miofibrilares de la célula y pone a disposición dos fosforilos de alta energía (β y γ) de ATP para que se transfieran entre moléculas de nucleótidos de adenina. [15] [16] En esencia, la adenilato quinasa transporta ATP a sitios de alto consumo de energía y elimina el AMP generado en el transcurso de esas reacciones. Estos relevos secuenciales de fosfotransferencia finalmente resultan en la propagación de los grupos fosforilo a lo largo de grupos de moléculas de ADK. [15] Este proceso puede considerarse como una brigada de moléculas de ADK que resulta en cambios en el flujo metabólico intracelular local sin cambios globales aparentes en las concentraciones de metabolitos. [15] Este proceso es extremadamente importante para la homeostasis general de la célula. [15]
La quinasa de difosfato de nucleósido (NDP) cataliza la síntesis dependiente de ATP in vivo de trifosfatos de ribo y desoxirribonucleósido . En Escherichia coli mutada que tenía una quinasa de difosfato de nucleósido alterada , la quinasa de adenilato realizó funciones enzimáticas duales. La ADK complementa la deficiencia de quinasa de difosfato de nucleósido. [17]
La inactivación de AK1 altera la sincronía entre el fosfato inorgánico y el recambio en los sitios de consumo de ATP y los sitios de síntesis de ATP. Esto reduce la comunicación de señales energéticas en el corazón postisquémico y precipita un reflujo coronario inadecuado después de la isquemia-reperfusión. [18]
La deficiencia de adenilato quinasa 2 ( AK2 ) en humanos causa defectos hematopoyéticos asociados con sordera neurosensorial . [19] La disgenesia reticular es una forma autosómica recesiva de inmunodeficiencia combinada humana . También se caracteriza por una maduración linfoide deteriorada y una detención temprana de la diferenciación en el linaje mieloide. La deficiencia de AK2 da como resultado la ausencia o una gran disminución en la expresión de proteínas. AK2 se expresa específicamente en la estría vascular del oído interno , lo que indica por qué las personas con una deficiencia de AK2 tendrán sordera neurosensorial. [19]
La ablación genética de AK1 disminuye la tolerancia al estrés metabólico. La deficiencia de AK1 induce una variación específica del tipo de fibra en grupos de transcripciones en la glucólisis y el metabolismo mitocondrial. [20] Esto favorece el metabolismo energético muscular.
El crecimiento mejorado y los niveles elevados de aminoácidos fotosintéticos se asocian con la deficiencia de adenilato quinasa plastidial en Arabidopsis thaliana . [21]
