La adenilato ciclasa (EC 4.6.1.1, también conocida comúnmente como adenil ciclasa y adenilil ciclasa , abreviada AC ) es una enzima con nombre sistemático ATP difosfato-liasa (ciclizante; formadora de AMP cíclico 3',5') . Cataliza la siguiente reacción:
Tiene funciones reguladoras clave en prácticamente todas las células . [2] Es la enzima más polifilética conocida : se han descrito seis clases distintas, todas catalizando la misma reacción pero representando familias de genes no relacionadas sin secuencia conocida ni homología estructural . [3] La clase más conocida de adenilil ciclasas es la clase III o AC-III (se utilizan números romanos para las clases). La AC-III se encuentra ampliamente presente en eucariotas y tiene funciones importantes en muchos tejidos humanos . [4]
Todas las clases de adenilato ciclasa catalizan la conversión de trifosfato de adenosina (ATP) en AMP cíclico 3',5' (cAMP) y pirofosfato . [4] Los iones de magnesio son generalmente necesarios y parecen estar estrechamente involucrados en el mecanismo enzimático. El cAMP producido por AC sirve entonces como señal reguladora a través de proteínas específicas de unión a cAMP , ya sean factores de transcripción , enzimas (p. ej., quinasas dependientes de cAMP ) o transportadores de iones .
La primera clase de adenilil ciclasas se presenta en muchas bacterias, incluida E. coli (como CyaA P00936 [no relacionada con la enzima de clase II]). [4] Esta fue la primera clase de AC en ser caracterizada. Se observó que E. coli privada de glucosa produce AMPc que sirve como señal interna para activar la expresión de genes para importar y metabolizar otros azúcares. El AMPc ejerce este efecto uniéndose al factor de transcripción CRP , también conocido como CAP. Las AC de clase I son enzimas citosólicas grandes (~100 kDa) con un dominio regulador grande (~50 kDa) que detecta indirectamente los niveles de glucosa. A partir de 2012 [actualizar], no hay ninguna estructura cristalina disponible para las AC de clase I.
Existe cierta información estructural indirecta para esta clase. Se sabe que la mitad N-terminal es la porción catalítica y que requiere dos iones Mg2 + . S103, S113, D114, D116 y W118 son los cinco residuos absolutamente esenciales. El dominio catalítico de clase I ( Pfam PF12633) pertenece a la misma superfamilia ( Pfam CL0260) que el dominio de palma de la ADN polimerasa beta ( Pfam PF18765). Alinear su secuencia con la estructura de una nucleotidiltransferasa de ARNt CCA arqueal relacionada ( PDB : 1R89 ) permite asignar los residuos a funciones específicas: unión de γ-fosfato , estabilización estructural, motivo DxD para la unión de iones metálicos y, finalmente, unión de ribosa. [5]
Estas adenilil ciclasas son toxinas secretadas por bacterias patógenas como Bacillus anthracis , Bordetella pertussis , Pseudomonas aeruginosa y Vibrio vulnificus durante las infecciones. [6] Estas bacterias también secretan proteínas que permiten que la AC-II entre en las células huésped, donde la actividad exógena de la AC socava los procesos celulares normales. Los genes de las AC de clase II se conocen como cyaA , uno de los cuales es la toxina del ántrax . Se conocen varias estructuras cristalinas para las enzimas AC-II. [7] [8] [9]
Estas adenilil ciclasas son las más conocidas en base a un amplio estudio debido a sus importantes funciones en la salud humana. También se encuentran en algunas bacterias, en particular en Mycobacterium tuberculosis , donde parecen tener un papel clave en la patogénesis. La mayoría de las AC-III son proteínas de membrana integrales involucradas en la transducción de señales extracelulares en respuestas intracelulares. En 1971 se le otorgó un Premio Nobel a Earl Sutherland por descubrir el papel clave de la AC-III en el hígado humano, donde la adrenalina estimula indirectamente la AC para movilizar la energía almacenada en la respuesta de "lucha o huida". El efecto de la adrenalina se produce a través de una cascada de señalización de la proteína G , que transmite señales químicas desde el exterior de la célula a través de la membrana hasta el interior de la célula ( citoplasma ). La señal externa (en este caso, la adrenalina) se une a un receptor, que transmite una señal a la proteína G, que transmite una señal a la adenilil ciclasa, que transmite una señal convirtiendo el trifosfato de adenosina en monofosfato de adenosina cíclico (AMPc). El AMPc se conoce como un segundo mensajero . [10]
El AMP cíclico es una molécula importante en la transducción de señales eucariotas , un llamado segundo mensajero . Las adenilil ciclasas a menudo son activadas o inhibidas por proteínas G , que están acopladas a receptores de membrana y, por lo tanto, pueden responder a estímulos hormonales o de otro tipo. [11] Después de la activación de la adenilil ciclasa, el AMPc resultante actúa como un segundo mensajero al interactuar con y regular otras proteínas como la proteína quinasa A y los canales iónicos regulados por nucleótidos cíclicos . [11]
La adenilato ciclasa fotoactivada (PAC) fue descubierta en Euglena gracilis y puede expresarse en otros organismos mediante manipulación genética. Al proyectar luz azul sobre una célula que contiene PAC, se activa y aumenta abruptamente la tasa de conversión de ATP a AMPc. Esta es una técnica útil para los investigadores en neurociencia porque les permite aumentar rápidamente los niveles intracelulares de AMPc en neuronas particulares y estudiar el efecto de ese aumento en la actividad neuronal sobre el comportamiento del organismo. [12] Recientemente se diseñó una rodopsina adenilato ciclasa activada por luz verde (CaRhAC) modificando el bolsillo de unión de nucleótidos de la rodopsina guanilato ciclasa .
La mayoría de las adenilil ciclasas de clase III son proteínas transmembrana con 12 segmentos transmembrana. La proteína está organizada con 6 segmentos transmembrana, luego el dominio citoplasmático C1, luego otros 6 segmentos de membrana y luego un segundo dominio citoplasmático llamado C2. Las partes importantes para la función son el extremo N y las regiones C1 y C2. Los subdominios C1a y C2a son homólogos y forman un "dímero" intramolecular que forma el sitio activo. En Mycobacterium tuberculosis y muchos otros casos bacterianos, el polipéptido AC-III tiene solo la mitad de longitud, y comprende un dominio de 6 transmembrana seguido de un dominio citoplasmático, pero dos de estos forman un homodímero funcional que se asemeja a la arquitectura de los mamíferos con dos sitios activos. En las AC de clase III no animales, el dominio citoplasmático catalítico se ve asociado con otros dominios (no necesariamente transmembrana). [13]
Los dominios de adenilato ciclasa de clase III se pueden dividir en cuatro subfamilias, denominadas de clase IIIa a IIId. Las AC unidas a la membrana de los animales pertenecen a la clase IIIa. [13] : 1087
La reacción se produce con dos cofactores metálicos (Mg o Mn) coordinados a los dos residuos de aspartato en C1. Estos realizan un ataque nucleofílico del grupo 3'-OH de la ribosa sobre el grupo α-fosforilo del ATP. Los dos residuos de lisina y aspartato en C2 seleccionan ATP sobre GTP como sustrato, de modo que la enzima no es una guanilil ciclasa. Un par de residuos de arginina y asparagina en C2 estabilizan el estado de transición. En muchas proteínas, estos residuos son mutados sin embargo, mientras que conservan la actividad de adenilil ciclasa. [13]
Hay diez isoformas conocidas de adenilil ciclasas en mamíferos :
A veces también se las denomina simplemente AC1, AC2, etc. y, de manera un tanto confusa, a veces se utilizan números romanos para estas isoformas que pertenecen a la clase III general de AC. Se diferencian principalmente en cómo se regulan y se expresan de manera diferencial en varios tejidos a lo largo del desarrollo de los mamíferos.
La adenilil ciclasa está regulada por proteínas G, que se pueden encontrar en forma monomérica o en forma heterotrimérica, que consta de tres subunidades. [2] [3] [4] La actividad de la adenilil ciclasa está controlada por proteínas G heterotriméricas. [2] [3] [4] La forma inactiva o inhibidora existe cuando el complejo consta de subunidades alfa, beta y gamma, con GDP unido a la subunidad alfa. [2] [4] Para volverse activo, un ligando debe unirse al receptor y causar un cambio conformacional. [2] Este cambio conformacional hace que la subunidad alfa se disocie del complejo y se una a GTP. [2] Este complejo G-alfa-GTP luego se une a la adenilil ciclasa y causa la activación y la liberación de AMPc. [2] Dado que una buena señal requiere la ayuda de enzimas, que activan y desactivan las señales rápidamente, también debe haber un mecanismo en el que la adenilil ciclasa desactive e inhiba el AMPc. [2] La desactivación del complejo G-alfa-GTP activo se logra rápidamente mediante la hidrólisis de GTP debido a que la reacción es catalizada por la actividad enzimática intrínseca de la GTPasa ubicada en la subunidad alfa. [2] También está regulada por la forskolina , [11] así como otros efectores específicos de la isoforma:
En las neuronas , las adenilil ciclasas sensibles al calcio se encuentran junto a los canales de iones de calcio para una reacción más rápida al influjo de Ca 2+ ; se sospecha que desempeñan un papel importante en los procesos de aprendizaje. Esto se ve respaldado por el hecho de que las adenilil ciclasas son detectores de coincidencia , lo que significa que se activan solo por varias señales diferentes que ocurren juntas. [15] En las células y tejidos periféricos, las adenilil ciclasas parecen formar complejos moleculares con receptores específicos y otras proteínas de señalización de una manera específica de isoforma.
Las isoformas individuales de la adenilil ciclasa transmembrana se han vinculado a numerosas funciones fisiológicas. [16] La adenilil ciclasa soluble (sAC, AC10) tiene un papel fundamental en la motilidad de los espermatozoides. [17] La adenilil ciclasa se ha visto implicada en la formación de la memoria, funcionando como un detector de coincidencias . [11] [15] [18] [19] [20]
La AC-IV se informó por primera vez en la bacteria Aeromonas hydrophila , y se ha informado sobre la estructura de la AC-IV de Yersinia pestis . Estas son las clases de enzimas AC más pequeñas; la AC-IV (CyaB) de Yersinia es un dímero de subunidades de 19 kDa sin componentes reguladores conocidos ( PDB : 2FJT ). [21] La AC-IV forma una superfamilia con la tiamina-trifosfatasa de mamíferos llamada CYTH (CyaB, tiamina trifosfatasa). [22]
Se han descrito estas formas de AC en bacterias específicas ( Prevotella ruminicola O68902 y Rhizobium etli Q8KY20 , respectivamente) y no se han caracterizado en profundidad. [23] Hay algunos miembros adicionales (~400 en Pfam) que se sabe que pertenecen a la clase VI. Las enzimas de clase VI poseen un núcleo catalítico similar al de la clase III. [24]
