Las quinasas de nucleósido-difosfato ( NDPK , también quinasa NDP , ( poli ) nucleótido quinasas y nucleósido difosfoquinasas ) son enzimas que catalizan el intercambio de fosfato terminal entre diferentes nucleósidos difosfatos (NDP) y trifosfatos (NTP) de manera reversible para producir nucleótidos trifosfatos . Muchos NDP sirven como aceptores mientras que los NTP son donantes de grupo fosfato. La reacción general a través del mecanismo de ping-pong es la siguiente: XDP + YTP ←→ XTP + YDP (X e Y representan cada uno una base nitrogenada diferente). Las actividades de NDPK mantienen un equilibrio entre las concentraciones de diferentes nucleósidos trifosfatos como, por ejemplo, cuando el guanosín trifosfato (GTP) producido en el ciclo del ácido cítrico (Krebs) se convierte en adenosín trifosfato (ATP). [1] Otras actividades incluyen la proliferación, diferenciación y desarrollo celular, la transducción de señales , el receptor acoplado a proteína G , la endocitosis y la expresión genética .
Las NDPK son proteínas homohexaméricas formadas por monómeros de aproximadamente 152 aminoácidos de longitud con un peso teórico de 17,17 KDa. [2] El complejo se encuentra en las mitocondrias y en el citoplasma soluble de las células.
Las NDPK se encuentran en todas las células, no muestran mucha especificidad hacia los tipos de bases de nucleósidos y son capaces de aceptar nucleótidos y desoxirribonucleótidos como sustratos o donantes. [3] Por lo tanto, la NDPK es la fuente de precursores de ARN y ADN, excepto ATP. [4] La NDPK utiliza una cinética enzimática específica para la reacción de múltiples sustratos, a saber, el mecanismo de ping-pong . Un mecanismo de ping-pong integra la fosforilación de un residuo de histidina transfiriendo el grupo fosfato terminal (γ-fosfato) del ATP al β-fosfato de NDP para producir un NTP, y la NDPK cataliza dichas reacciones reversibles. [5] El NTP fosforila una histidina, que a su vez fosforila NDP. Las NDPK están involucradas en la síntesis de trifosfatos de nucleósidos (NTP), como el trifosfato de guanosina (GTP), el trifosfato de citidina (CTP), el trifosfato de uridina (UTP) y el trifosfato de timidina (TTP). [6]
Detrás de esta reacción aparentemente sencilla se esconde un mecanismo de varios pasos. Los pasos clave de la transfosforilación son los siguientes:
Cada paso es parte de un proceso reversible, de modo que el equilibrio de múltiples pasos tiene la siguiente forma.
Las funciones de NDPK en estos NTP difieren; generalmente, las quinasas incorporan NTP para la síntesis de ácidos nucleicos. El CTP se proporciona para la síntesis de lípidos , el UTP para la síntesis de polisacáridos , mientras que el GTP se utiliza para la elongación de proteínas y la transducción de señales . [3] Durante la transducción de señales mediada por AMPc , NDPK es responsable de la fosforilación del GDP liberado de las proteínas G activadas por la unión al receptor; una vez que el ATP dona un grupo fosfato a través de la actividad de NDPK, el GTP se une consecutivamente. [7] El aumento de la actividad de NDPK asociada a la membrana produce la síntesis de AMPc. NDPK controla los canales de K+, las proteínas G, la secreción celular, la producción de energía celular y la síntesis de UTP.
La NDPK normalmente consume ATP, el nucleótido celular más abundante, y almacena los nucleótidos. Sin embargo, el consumo de ATP definitivamente influiría en el balance energético celular, lo que provoca la regulación de la proteína quinasa activada por AMP ( AMPK ). [8] AMPK actúa como sensor de energía y regula las vías de ATP activando o no las vías generadoras. Debido a dicha actividad, AMPK podría inhibir directamente NDPK a través de la fosforilación . Para ser más específicos, NDPK apoya la producción de nucleótidos en estados celulares de alta energía y bajo estrés. Sin embargo, esto solo puede suceder cuando AMPK está inactivada porque los estados celulares de bajo estrés de ATP desencadenan la activación de AMPK, que eventualmente disminuye la actividad de NDPK al fosforilar residuos de serina.
En la mayoría de los procariotas, la enzima NDPK es tetramérica . Se ha informado en varios patógenos. La función de NDPK se ha estudiado en Escherichia coli , Bacillus subtilis , Salmonella typhimurium , Micrococcus luteus y Myxococcus xanthus . [9] La NDPK procariota forma un homotetrámero funcional . La actividad de la nucleósido difosfato quinasa implica la transferencia del γ-fosfato del nucleósido trifosfato (NTP) al nucleósido difosfato (NDP), donde N1 y N2 pueden ser ribo- o desoxirribonucleósidos. Esto se hace a través de un intermediario de fosfohistidina de alta energía. Además de la participación en la síntesis de nucleótidos de pirimidina , la NDPK procariota también está involucrada en varios ciclos metabólicos. También se ha descubierto que la NDPK actúa como una proteína histidina quinasa , que implica una fosforilación reversible de histidina como una señal reguladora bien conocida. [10] Sin embargo, en la mayoría de los procariotas , los niveles de expresión de NDPK están involucrados en el crecimiento, desarrollo y diferenciación celular del organismo, especialmente las bacterias .
En el ciclo de biosíntesis de (p)ppGpp, la NDPK cumple una función importante. Cuando no hay un ARNt cargado en el sitio A de un ribosoma , el ribosoma se detendrá y activará la síntesis de la molécula de pentafosfato de guanosina ((p)ppGpp). La biosíntesis de (p)ppGpp es parte de la vía metabólica de las purinas y coordina una serie de actividades celulares en respuesta a la abundancia de nutrientes. [11] La síntesis de (p)ppGpp se desencadena por la falta de carbono, o la falta de carbono en el entorno de la célula, y hace que se active la proteína SpoT. SpoT trabaja en conjunto con NDPK y ambas sirven como enzimas esenciales en el ciclo de biosíntesis de (p)ppGpp. NDPK sintetiza la formación de GDP a partir de GTP a través de la desfosforilación. [12]
Aunque actualmente se desconoce el mecanismo biomolecular por el que funciona el gen Nm23 en las células, como en la mayoría de los procariotas, los niveles de expresión de la nucleósido difosfato quinasa (NDPK) determinan el crecimiento y la diferenciación celular. [3] Normalmente, el gen Nm23 (NME) está involucrado en la supresión de la metástasis en humanos. En procariotas, el gen Nm23 está involucrado en el desarrollo y la diferenciación celular normal. Se han encontrado homólogos altamente conservados del gen Nm23 en procariotas, más específicamente, Myxococcus xanthus , una bacteria del suelo gramnegativa . Los homólogos de Nm23 en M. xanthus se han cerrado y caracterizado como una nucleósido difosfato quinasa (gen ndk) y parece ser esencial para el crecimiento de M. xanthus . Durante el desarrollo de M. xanthus , también se ha demostrado que la actividad de la nucleósido difosfato quinasa disminuye drásticamente. [13]
Existen al menos cuatro isoformas enzimáticamente activas de NDPK en humanos: NDPK-A, NDPK-B, NDPK-C y NDPK-D. Las cuatro isoformas tienen estructuras muy similares y pueden combinarse en cualquier forma para convertirse en hexámeros funcionales de NDPK. Se sugiere que NDPK participa en la señalización transmembrana en células eucariotas. [14]
En los sistemas eucariotas, la función de la NDK es sintetizar trifosfatos de nucleósidos distintos del ATP. El fosfato gamma del ATP se transfiere al fosfato beta del NDP mediante un mecanismo de ping-pong, utilizando un intermediario de sitio activo fosforilado, y sintetiza productos como el UTP. La NDK posee actividades de nucleósido-difosfato quinasa, proteína quinasa específica de serina/treonina, pirofosfato quinasa de geranilo y farnesilo, proteína quinasa de histidina y exonucleasa 3'-5'. Sus procesos están relacionados con la proliferación, diferenciación y desarrollo celular, y la expresión génica en células humanas. También es parte del proceso de desarrollo neuronal, que incluye la formación de patrones neuronales y la determinación del destino celular. Además, la NDPK está relacionada con los procesos de transducción de señales y la endocitosis del receptor acoplado a proteína G, ya que transfiere un grupo fosfato a las subunidades β de G y convierte el GDP en GTP. Este aumento en la concentración de GTP cerca de las subunidades α de la proteína G provoca la activación de las subunidades α de la proteína G para la señalización de la proteína G. [15] Además de la señalización, NDPK está involucrada en el control de los canales de K+, la secreción celular y la producción de energía celular.
Las reacciones bioquímicas catalizadas por la quinasa NDP en plantas son análogas a las actividades descritas en humanos, ya que la actividad de autofosforilación tiene lugar a partir de ATP y GTP. Además de esto, las plantas tienen cuatro tipos de isoformas de NDPK. La NDPK de tipo I citosólica está involucrada en el metabolismo, el crecimiento y las respuestas al estrés en las plantas. [16] La NDPK de tipo II se concentra en el cloroplasto y se cree que está involucrada en el proceso de fotosíntesis y el manejo del estrés oxidativo, pero su función aún no se conoce con claridad. [16] La NDPK de tipo III se dirige tanto a las mitocondrias como al cloroplasto, y está principalmente involucrada en el metabolismo energético. [16] La localización y la función exacta de la NDPK de tipo IV aún no se conocen bien y necesitan más investigaciones. [16] Además, la NDPK está asociada con la señalización de la proteína quinasa activada por mitógeno mediada por H 2 O 2 en las plantas. [17]
Diez genes paralógicos codifican las proteínas NDPK, que se dividen en dos grupos. El primer grupo codifica proteínas con funciones NDPK. El otro grupo de genes codifica otras proteínas diversas que muestran actividades NDPK bajas o nulas. En el primer grupo, uno de los genes llamado NM23 fue identificado como la primera proteína supresora de metástasis y su gen Nm23 se activó menos en células metastásicas. En un experimento diferente, se cultivó Nm23 humano con células cancerosas y se mostró inhibición de la metástasis. El nivel de proteína NM23 fue inversamente proporcional al potencial metastásico de los tumores sólidos humanos. Sin embargo, otros tipos de tumores, como los cánceres de ovario, el neuroblastoma y las neoplasias hematológicas, mostraron niveles de NM23 regulados al alza en muestras de pacientes. Por lo tanto, es necesario comprender la base biológica de la familia de genes Nm23 para tener un conocimiento sólido de sus diversos resultados.
El gen Nme2, uno de los genes NDPK, se ha asociado con funciones cardiovasculares . Se sabe que el gen Nme2 forma un complejo con la subunidad beta de la proteína G heterotrimétrica en las células cardíacas y regula la contractilidad del corazón. Hay dos funciones de Nme2 que permiten dicha regulación; una es la actividad de la histidina quinasa, que es la fosforilación de los canales para regular lo que pasa a través de ellos y la otra es una función de andamiaje de la formación de caveolas . La disminución de la interacción Nme2/caveolina mostró una tasa reducida de contractilidad cardíaca. [18] Además, más estudios con peces cebra revelaron que la disminución de NDPK tiene un efecto perjudicial sobre el funcionamiento del corazón. [19]
Hubo mucho debate sobre si el gen NM23 es responsable de suprimir o activar la metástasis. Los dos lados contradictorios sobre este tema permanecieron ambiguos e indefinidos a lo largo de los estudios de NDPK. Sin embargo, experimentos recientes comenzaron a mostrar evidencia de que NM23 es un supresor de la metástasis. Nme2 fue etiquetado como un gen antimetastasis, utilizando la tecnología de chip de tejido e inmunohistoquímica . Cuando los productos del gen Nme2 se produjeron en exceso en células de cáncer gástrico, hubo una disminución en la proliferación, migración e invasión de dichas células cancerosas. Los cultivos celulares revelaron que Nme2 impacta en las células de cáncer gástrico, pero aún queda la pregunta sobre qué regula las actividades de Nme2 entre varios tipos de cáncer. [20] Nme1 se encontró en gran número en sublíneas poco metastásicas de células de melanoma . Además, la transfección de Nme1 en una línea de melanoma altamente metastásica redujo significativamente la metástasis. Esta teoría también se ha probado con ratones; Los ratones deficientes en Nme1 formaron mayores metástasis pulmonares que los ratones de tipo salvaje, lo que demuestra que este gen tiene actividad supresora. La invasión del cáncer se produce debido a cambios en la adhesión celular y es causada por cambios en la expresión génica en la transición epitelial-mesenquimal (EMT). Sorprendentemente, hay muchas moléculas de adhesión, factores de motilidad , vías de señalización, eventos proteolíticos , características distintivas de EMT y otros programas transcripcionales que se han vinculado a las proteínas Nme1. Estas proteínas interrumpen la metástasis uniéndose a proteínas promotoras de metástasis. Las proteínas Nme1 se unen a proteínas virales, oncogenes y otros factores promotores de metástasis. La unión puede ser indirecta mediante el uso del complejo de señalización. [20]
