Las histidina quinasas ( HK ) son proteínas multifuncionales y, en 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 de autoquinasa , fosfotransferencia y fosfatasa . Las HK pueden actuar como receptores celulares para moléculas de señalización de una manera análoga a los receptores de tirosina quinasa (RTK). Las moléculas receptoras multifuncionales como las HK y las RTK generalmente tienen porciones en el exterior de la célula ( dominio extracelular ) que se unen a moléculas similares a hormonas o factores de crecimiento , porciones que abarcan 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 generalmente tienen regiones que se unen a una molécula efectora secundaria o 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 proteína reguladora de respuesta (o, a veces, en la propia quinasa). Más recientemente, se ha reconocido la existencia generalizada de fosforilación de proteína histidina distinta de la de las histidina quinasas de dos componentes en células humanas. [2] [3] En marcado contraste con la fosforilación de Ser, Thr y Tyr, el análisis de la histidina fosforilada utilizando enfoques bioquímicos y espectrométricos de masas estándar es mucho más desafiante, [4] [5] y se requieren procedimientos especiales y técnicas de separación 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 las vías de transducción de señales anteriores a muchos procesos celulares, incluidas diversas vías metabólicas, de virulencia y homeostáticas.
El mecanismo de las reacciones catalizadas por la histidina quinasa no ha sido completamente dilucidado, pero la evidencia actual sugiere que el dominio catalítico de una unidad dimérica puede rotar de tal manera que el bolsillo 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]
Un HK se compone de varios dominios que comienzan con una porción citoplasmática 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 al dominio catalítico citoplasmático C-terminal . Se sabe que los HK cumplen funciones en muchas vías de transducción de señales diferentes, por lo que no es sorprendente 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 las cajas 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 a partir 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 y de unión a ATP (CA) C-terminal. 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 5 hebras y la otra capa está formada por tres hélices α.
La unidad dimérica se mantiene unida por un haz de cuatro hélices, que se forma 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 facilitada por varias interacciones en la interfaz entre los DHps de cada monómero. Estas 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 agua dentro de una cavidad dentro de la espiral enrollada y flanqueada por residuos hidrofóbicos.
El bolsillo de unión de nucleótidos / ATP está contenido dentro del dominio CA y la similitud estructural de este bolsillo es alta entre la mayoría de las HK. La cavidad de CheA, también cristalizada a partir 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 que provienen 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 al grupo amina de adenina . Otras tres moléculas de agua forman enlaces de hidrógeno directos con la base de adenina. Un ion Mg2 + forma un puente entre los tres fosfatos y un residuo Asn invariante. Finalmente, dos moléculas de agua más completan la coordinación octaédrica con Mg2 + y se unen a Arg-408 e His-405. Cuando el fosfato gamma del ATP se desestabiliza, el Mg2 + ya no se observa debido a su incapacidad para coordinarse octaédricamente. Marina et al. sostienen que se produce una coordinación similar del Mg2 + en HK853, pero que no se observa debido al uso del análogo del 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 unión de ATP se denomina convenientemente "tapa de ATP". La estabilidad de esta estructura está mediada por la presencia del fosfato γ y, por lo tanto, el ion Mg 2+ en el sitio de unión. También se ha demostrado que la presencia de la base de nucleótido desempeña un papel importante en la estabilización de la tapa en una conformación cerrada . La tapa de ATP está conectada a través de residuos hidrofóbicos al resto de la proteína. El fosfato γ de ATP está algo expuesto, lo que permite la desfosforilación . Tras la unión de ATP en este bolsillo, se cree que se produce un cambio conformacional que permite la rotación del dominio CA para entrar en contacto con el DHp del otro monómero y, por lo tanto, permite que el His-260 conservado descanse cerca del fosfato γ. El Nε de His-260 ataca entonces al fosfato γ de ATP en una adición nucleofílica y elimina el ADP como su grupo saliente.
Un sistema de dos componentes (TCSs), que involucra la histidina quinasa y una proteína reguladora de respuesta variable , puede ser crítico 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 los neutrófilos humanos . Como los humanos carecen de este sistema de dos componentes, puede ser un buen objetivo para los agentes antimicrobianos con el fin de tratar la candidiasis .
De manera similar a los hongos, también se pueden encontrar sistemas de dos componentes en varias infecciones bacterianas persistentes. Por ejemplo, se informó que Staphylococcus aureus usaba TCS SrrAB que consistían en un sensor HKs (SrrB), que transferiría un 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, los genes ica son inducidos por SrrAB para mediar el ensamblaje celular y la formación de biopelículas para sobrevivir en condiciones anaeróbicas. [11]
