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 3′,5′-cíclico) . 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 relacionados 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). AC-III ocurre ampliamente en eucariotas y tiene funciones importantes en muchos tejidos humanos . [4]
Todas las clases de adenilil ciclasa catalizan la conversión de trifosfato de adenosina (ATP) en AMP 3',5'-cíclico (AMPc) y pirofosfato . [4] Los iones de magnesio generalmente son necesarios y parecen estar estrechamente involucrados en el mecanismo enzimático. El AMPc producido por AC sirve luego como señal reguladora a través de proteínas de unión a AMPc específicas , ya sea factores de transcripción , enzimas (p. ej., quinasas dependientes de AMPc ) o transportadores de iones .
La primera clase de adenilil ciclasas se encuentra en muchas bacterias, incluida E. coli (como CyaA P00936 [no relacionada con la enzima Clase II]). [4] Esta fue la primera clase de aire acondicionado que se caracterizó. 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 estructura cristalina disponible para clase I AC.
Alguna información estructural indirecta está disponible para esta clase. Se sabe que la mitad N-terminal es la porción catalítica y que requiere dos iones Mg 2+ . 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 palma de la ADN polimerasa beta ( Pfam PF18765). Alinear su secuencia con la estructura de una nucleotidiltransferasa de ARNt CCA de arquea relacionada ( PDB : 1R89 ) permite la asignación de 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 AC-II ingrese a las células huésped, donde la actividad exógena de 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 según un estudio exhaustivo debido a su importante papel en la salud humana. También se encuentran en algunas bacterias, en particular Mycobacterium tuberculosis, donde parecen tener un papel clave en la patogénesis. La mayoría de los AC-III son proteínas integrales de membrana implicadas en la transducción de señales extracelulares en respuestas intracelulares. Earl Sutherland recibió el Premio Nobel en 1971 por descubrir el papel clave del AC-III en el hígado humano, donde la adrenalina estimula indirectamente el 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, adrenalina) se une a un receptor, que transmite una señal a la proteína G, que a su vez transmite una señal a la adenilil ciclasa, que transmite una señal al convertir el trifosfato de adenosina en monofosfato de adenosina cíclico (AMPc). El AMPc se conoce como segundo mensajero . [10]
El AMP cíclico es una molécula importante en la transducción de señales en eucariotas , el 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 y regular otras proteínas como la proteína quinasa A y los canales iónicos activados por nucleótidos cíclicos . [11]
La adenilil ciclasa (PAC) fotoactivada se descubrió en Euglena gracilis y puede expresarse en otros organismos mediante manipulación genética. La luz azul brillante sobre una célula que contiene PAC la activa y aumenta abruptamente la tasa de conversión de ATP en AMPc. Se trata de una técnica útil para los investigadores en neurociencia porque les permite aumentar rápidamente los niveles de AMPc intracelular en determinadas neuronas y estudiar el efecto de ese aumento de la actividad neuronal sobre el comportamiento del organismo. [12] Recientemente se ha diseñado una rodopsina adenilil ciclasa (CaRhAC) activada con luz verde modificando la bolsa de unión de nucleótidos de la rodopsina guanilil ciclasa .
La mayoría de las adenilil ciclasas de clase III son proteínas transmembrana con 12 segmentos transmembrana. La proteína se organiza 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 sólo la mitad de longitud y comprende un dominio de 6 transmembranas seguido de un dominio citoplasmático, pero dos de ellos forman un homodímero funcional que se asemeja a la arquitectura de los mamíferos con dos sitios activos. En los AC de clase III no animales, el dominio citoplasmático catalítico se ve asociado con otros dominios (no necesariamente transmembrana). [13]
Los dominios de adenilil ciclasa de clase III se pueden dividir en cuatro subfamilias, denominadas clase IIIa a IIId. Los AC animales unidos a membranas pertenecen a la clase IIIa. [13] : 1087
La reacción ocurre con dos cofactores metálicos (Mg o Mn) coordinados con los dos residuos de aspartato en C1. Realizan un ataque nucleofílico del grupo 3'-OH de la ribosa al 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. Sin embargo, en muchas proteínas estos residuos están mutados manteniendo la actividad de adenilil ciclasa. [13]
Hay diez isoformas conocidas de adenilil ciclasas en mamíferos :
A veces también se les llama simplemente AC1, AC2, etc. y, de manera algo confusa, a veces se utilizan números romanos para estas isoformas que pertenecen a la clase AC III general. 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 pueden encontrarse en forma monomérica o 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 el GDP unido a la subunidad alfa. [2] [4] Para volverse activo, un ligando debe unirse al receptor y provocar un cambio conformacional. [2] Este cambio conformacional hace que la subunidad alfa se disocia del complejo y se une al GTP. [2] Este complejo G-alfa-GTP luego se une a la adenilil ciclasa y provoca la activación y 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 activo G-alfa-GTP 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 regulado por la forskolina , [11] así como por otros efectores específicos de isoformas:
En las neuronas , las adenililciclasas sensibles al calcio se encuentran junto a los canales iónicos 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 sólo cuando se producen varias señales diferentes juntas. [15] En 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 adenilil ciclasa transmembrana se han relacionado con numerosas funciones fisiológicas. [16] La adenilil ciclasa soluble (sAC, AC10) tiene un papel fundamental en la motilidad de los espermatozoides. [17] La adenilil ciclasa ha sido implicada en la formación de la memoria, funcionando como un detector de coincidencias . [11] [15] [18] [19] [20]
El AC-IV se informó por primera vez en la bacteria Aeromonas hydrophila y se ha informado sobre la estructura del AC-IV de Yersinia pestis . Éstas son las clases de enzimas AC más pequeñas; el AC-IV (CyaB) de Yersinia es un dímero de subunidades de 19 kDa sin componentes reguladores conocidos ( PDB : 2FJT ). [21] AC-IV forma una superfamilia con la tiamina-trifosfatasa de mamíferos llamada CYTH (CyaB, tiamina-trifosfatasa). [22]
Estas formas de AC se han informado en bacterias específicas ( Prevotella ruminicola O68902 y Rhizobium etli Q8KY20 , respectivamente) y no se han caracterizado ampliamente. [23] Se sabe que hay algunos miembros adicionales (~400 en Pfam) que están en la clase VI. Las enzimas de Clase VI poseen un núcleo catalítico similar al de la Clase III. [24]
