Adenylylcyclase - Adenylyl cyclase

Adenylylcyclase
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Adenylatcyclase (Calmodulin-sensitiv) Trimer, Bacillus anthracis
Epinephrin bindet seinen Rezeptor, der mit einem heterotrimeren G-Protein assoziiert. Das G-Protein assoziiert mit Adenylylcyclase, die ATP in cAMP umwandelt und das Signal verbreitet.
Bezeichner
EG-Nr. 4.6.1.1
CAS-Nr. 9012-42-4
Datenbanken
IntEnz IntEnz-Ansicht
BRENDA BRENDA-Eintrag
ExPASy NiceZyme-Ansicht
KEGG KEGG-Eintrag
MetaCyc Stoffwechselweg
PRIAM Profil
PDB- Strukturen RCSB PDB PDBe PDBsum
Gen-Ontologie AmiGO / QuickGO

Adenylylzyklase ( EC 4.6.1.1 , auch allgemein bekannt als Adenylzyklase und Adenylatzyklase , abgekürzt AC ) ist ein Enzym mit regulatorischen Schlüsselrollen in praktisch allen Zellen . Es ist die polyphyletic bekannte Enzym: sechs verschiedene Klassen beschrieben wurden, alle katalysieren die gleiche Reaktion aber in keinem Zusammenhang darstellt Gen Familien ohne bekannte Sequenz oder strukturelle Homologie . Die bekannteste Klasse von Adenylylcyclasen ist die Klasse III oder AC-III (für die Klassen werden römische Ziffern verwendet). AC-III kommt in Eukaryoten weit verbreitet vor und spielt in vielen menschlichen Geweben eine wichtige Rolle .

Alle Klassen der Adenylylcyclase katalysieren die Umwandlung von Adenosintriphosphat (ATP) in 3',5'-zyklisches AMP (cAMP) und Pyrophosphat . Magnesiumionen ist in der Regel erforderlich , und scheint eng in dem enzymatischen Mechanismus beteiligt zu sein. Die cAMP hergestellt von AC dient dann als Regelungssignal über spezifische cAMP-bindenden Proteine , entweder Transkriptionsfaktoren , Enzyme (zB cAMP-abhängige Kinasen ) oder Ionentransporter .

Adenylylcyclase katalysiert die Umwandlung von ATP in 3',5'-zyklisches AMP .

Klassen

Klasse I

Adenylatcyclase, Klasse-I
Bezeichner
Symbol Adenylat_cycl
Pfam PF01295
InterPro IPR000274
PROSITE PDOC00837

Die erste Klasse von Adenylylcyclasen kommt in vielen Bakterien vor, einschließlich E. coli (als CyaA P00936 [nicht mit dem Klasse-II-Enzym verwandt]). Dies war die erste Klasse von AC, die charakterisiert wurde. Es wurde beobachtet, dass E. coli ohne Glucose cAMP produziert, das als ein internes Signal dient, um die Expression von Genen zum Importieren und Metabolisieren anderer Zucker zu aktivieren. cAMP übt diesen Effekt aus, indem es den Transkriptionsfaktor CRP , auch CAP genannt, bindet . ACs der Klasse I sind große zytosolische Enzyme (~100 kDa) mit einer großen regulatorischen Domäne (~50 kDa), die indirekt den Glukosespiegel erfasst. Ab 2012 ist keine Kristallstruktur für Klasse I AC verfügbar.

Für diese Klasse sind einige indirekte Strukturinformationen verfügbar. Es ist bekannt, dass die N-terminale Hälfte der katalytische Teil ist und zwei Mg 2+ -Ionen benötigt. S103, S113, D114, D116 und W118 sind die fünf absolut essentiellen Reste. Die katalytische Domäne der Klasse I ( Pfam PF12633 ) gehört zur gleichen Superfamilie ( Pfam CL0260 ) wie die Palmdomäne der DNA-Polymerase beta ( Pfam PF18765 ). Die Ausrichtung der Sequenz auf die Struktur einer verwandten archaealen CCA-tRNA-Nukleotidyltransferase ( PDB : 1R89 ​) ermöglicht die Zuordnung der Reste zu spezifischen Funktionen: γ-Phosphatbindung , strukturelle Stabilisierung, DxD-Motiv für die Metallionenbindung und schließlich Ribosebindung.

Klasse II

Diese Adenylylcyclasen sind Toxine, die von pathogenen Bakterien wie Bacillus anthracis , Bordetella pertussis , Pseudomonas aeruginosa und Vibrio vulnificus während Infektionen sezerniert werden . Diese Bakterien sezernieren auch Proteine, die es dem AC-II ermöglichen, in Wirtszellen einzudringen, wo die exogene AC-Aktivität normale zelluläre Prozesse untergräbt. Die Gene für ACs der Klasse II sind als cyaA bekannt , eines davon ist Anthrax-Toxin . Für AC-II-Enzyme sind mehrere Kristallstrukturen bekannt.

Klasse III

Adenylylcyclase Klasse-3/Guanyylcyclase
Bezeichner
Symbol Guanylate_cyc
Pfam PF00211
Pfam- Clan CL0276
InterPro IPR001054
SCHLAU SM00044
PROSITE PS50125
SCOP2 1tl7 / UMFANG / SUPFAM
TCDB 8.A.85
OPM-Superfamilie 546
OPM-Protein 6r3q

Diese Adenylylcyclasen sind aufgrund ihrer wichtigen Rolle für die menschliche Gesundheit die bekanntesten, basierend auf umfangreichen Studien. Sie werden auch in einigen Bakterien gefunden, insbesondere in Mycobacterium tuberculosis, wo sie eine Schlüsselrolle bei der Pathogenese zu spielen scheinen. Die meisten AC-IIIs sind integrale Membranproteine, die an der Umwandlung extrazellulärer Signale in intrazelluläre Antworten beteiligt sind. 1971 erhielt Earl Sutherland einen Nobelpreis für die Entdeckung der Schlüsselrolle von AC-III in der menschlichen Leber, bei der Adrenalin indirekt AC stimuliert, um gespeicherte Energie in der "Kampf-oder-Flucht"-Reaktion zu mobilisieren. Die Wirkung von Adrenalin erfolgt über eine G-Protein -Signalkaskade, die chemische Signale von außerhalb der Zelle über die Membran ins Zellinnere ( Zytoplasma ) überträgt . Das äußere Signal (in diesem Fall Adrenalin) bindet an einen Rezeptor, der ein Signal an das G-Protein überträgt, das ein Signal an die Adenylylzyklase weiterleitet, die ein Signal überträgt, indem sie Adenosintriphosphat in zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) umwandelt . cAMP ist als zweiter Botenstoff bekannt .

Zyklisches AMP ist ein wichtiges Molekül bei der eukaryontischen Signalübertragung , ein sogenannter Second Messenger . Adenylylzyklasen werden oft durch G-Proteine aktiviert oder gehemmt , die an Membranrezeptoren gekoppelt sind und so auf hormonelle oder andere Reize reagieren können. Nach der Aktivierung der Adenylylcyclase fungiert das resultierende cAMP als zweiter Messenger, indem es mit anderen Proteinen wie Proteinkinase A und zyklischen Nukleotid-gesteuerten Ionenkanälen interagiert und diese reguliert .

Photoaktivierte Adenylylcyclase (PAC) wurde in Euglena gracilis entdeckt und kann durch genetische Manipulation in anderen Organismen exprimiert werden. Das Bestrahlen einer PAC-haltigen Zelle mit blauem Licht aktiviert diese und erhöht schlagartig die Umwandlungsrate von ATP in cAMP. Dies ist eine nützliche Technik für Forscher in den Neurowissenschaften, da sie es ihnen ermöglicht, die intrazellulären cAMP-Spiegel in bestimmten Neuronen schnell zu erhöhen und die Wirkung dieser Erhöhung der neuronalen Aktivität auf das Verhalten des Organismus zu untersuchen. Eine durch grünes Licht aktivierte Rhodopsin-Adenylyl-Cyclase (CaRhAC) wurde kürzlich durch Modifikation der Nukleotid-Bindungstasche der Rhodopsin- Guanylyl-Cyclase hergestellt .

Struktur

Struktur der Adenylylcyclase

Die meisten Klassen III Adenylylcyclasen sind Transmembranproteine mit 12 Transmembransegmenten. Das Protein ist mit 6 Transmembransegmenten organisiert, dann der zytoplasmatischen Domäne von C1, dann weiteren 6 Membransegmenten und dann einer zweiten zytoplasmatischen Domäne namens C2. Die wichtigen Teile für die Funktion sind der N-Terminus und die C1- und C2-Regionen. Die C1a- und C2a-Subdomänen sind homolog und bilden ein intramolekulares „Dimer“, das das aktive Zentrum bildet. Bei Mycobacterium tuberculosis und vielen anderen bakteriellen Fällen ist das AC-III-Polypeptid nur halb so lang und umfasst eine 6-Transmembran-Domäne gefolgt von einer zytoplasmatischen Domäne, aber zwei davon bilden ein funktionelles Homodimer, das der Säugetierarchitektur mit zwei aktiven Zentren ähnelt. In nicht-tierischen Klasse-III-ACs wird die katalytische zytoplasmatische Domäne mit anderen (nicht unbedingt transmembranen) Domänen assoziiert gesehen.

Adenylylcyclase-Domänen der Klasse III können weiter in vier Unterfamilien unterteilt werden, die als Klasse IIIa bis IIId bezeichnet werden. Tiermembrangebundene ACs gehören zur Klasse IIIa.

Mechanismus

Die Reaktion erfolgt mit zwei Metallcofaktoren (Mg oder Mn), die an die beiden Aspartatreste an C1 koordiniert sind. Sie führen einen nukleophilen Angriff der 3'-OH-Gruppe der Ribose an der α-Phosphorylgruppe von ATP durch. Die beiden Lysin- und Aspartatreste an C2 selektieren ATP gegenüber GTP als Substrat, so dass das Enzym keine Guanylylcyclase ist. Ein Paar Arginin- und Asparaginreste an C2 stabilisiert den Übergangszustand. In vielen Proteinen sind diese Reste dennoch mutiert, während die Adenylylcyclase-Aktivität erhalten bleibt.

Typen

Bei Säugetieren sind zehn Isoformen von Adenylylcyclasen bekannt :

Diese werden manchmal auch einfach AC1, AC2 usw. genannt, und etwas verwirrenderweise werden manchmal römische Ziffern für diese Isoformen verwendet, die alle zur gesamten AC-Klasse III gehören. Sie unterscheiden sich hauptsächlich darin, wie sie reguliert werden, und werden in verschiedenen Geweben während der gesamten Entwicklung von Säugetieren unterschiedlich exprimiert.

Verordnung

Die Adenylylcyclase wird durch G-Proteine ​​reguliert, die in der monomeren Form oder der heterotrimeren Form, bestehend aus drei Untereinheiten, vorkommen. Die Aktivität der Adenylylcyclase wird durch heterotrimere G-Proteine ​​kontrolliert. Die inaktive oder hemmende Form liegt vor, wenn der Komplex aus Alpha-, Beta- und Gamma-Untereinheiten besteht, wobei GDP an die Alpha-Untereinheit gebunden ist. Um aktiv zu werden, muss ein Ligand an den Rezeptor binden und eine Konformationsänderung bewirken. Diese Konformationsänderung bewirkt, dass die Alpha-Untereinheit vom Komplex dissoziiert und an GTP gebunden wird. Dieser G-alpha-GTP-Komplex bindet dann an die Adenylylcyclase und bewirkt eine Aktivierung und die Freisetzung von cAMP. Da ein gutes Signal die Hilfe von Enzymen erfordert, die Signale schnell ein- und ausschalten, muss es auch einen Mechanismus geben, bei dem Adenylylcyclase cAMP deaktiviert und hemmt. Die Deaktivierung des aktiven G-alpha-GTP-Komplexes wird schnell durch GTP-Hydrolyse erreicht, da die Reaktion durch die intrinsische enzymatische Aktivität der in der Alpha-Untereinheit lokalisierten GTPase katalysiert wird. Es wird auch durch Forskolin sowie andere isoformspezifische Effektoren reguliert :

  • Isoformen I, III und VIII werden auch durch Ca 2+ / Calmodulin stimuliert .
  • Die Isoformen V und VI werden durch Ca 2+ Calmodulin-unabhängig gehemmt .
  • Die Isoformen II, IV und IX werden durch die Alpha-Untereinheit des G-Proteins stimuliert.
  • Die Isoformen I, V und VI werden am deutlichsten durch Gi gehemmt, während andere Isoformen weniger duale Regulation durch das inhibitorische G-Protein zeigen.
  • Lösliches AC (sAC) ist keine Transmembranform und wird nicht durch G-Proteine ​​oder Forskolin reguliert, sondern fungiert stattdessen als Bicarbonat-/pH-Sensor. Es ist an verschiedenen Stellen innerhalb der Zelle verankert und bildet mit Phosphodiesterasen lokale cAMP-Signaldomänen.

In Neuronen , sind Calcium-sensitive Adenylylcyclasen neben Calcium befindet Ionenkanäle für eine schnellere Reaktion auf die Ca 2+ Einstrom; sie stehen im Verdacht, eine wichtige Rolle in Lernprozessen zu spielen. Dies wird dadurch unterstützt, dass Adenylylzyklasen Koinzidenzdetektoren sind , das heißt, sie werden nur durch das Zusammentreffen mehrerer unterschiedlicher Signale aktiviert. In peripheren Zellen und Geweben scheinen Adenylylzyklasen auf isoformspezifische Weise molekulare Komplexe mit spezifischen Rezeptoren und anderen Signalproteinen zu bilden.

Funktion

Adenylylcyclase wurde mit der Gedächtnisbildung in Verbindung gebracht und fungiert als Koinzidenzdetektor .

Klasse IV

Adenylylcyclase CyaB
Bezeichner
Symbol Cyab
InterPro IPR008173
CAT 1YEM
SCOP2 2ACA / Scope / SUPFAM
CDD cd07890

AC-IV wurde zuerst in dem Bakterium Aeromonas hydrophila berichtet , und die Struktur von AC-IV aus Yersinia pestis wurde berichtet. Dies sind die kleinsten der AC-Enzymklassen; das AC-IV (CyaB) von Yersinia ist ein Dimer von 19 kDa Untereinheiten ohne bekannte regulatorische Komponenten ( PDB : 2FJT ​). AC-IV bildet eine Superfamilie mit Säugetier- Thiamintriphosphatase namens CYTH (CyaB, Thiamintriphosphatase).

Klassen V und VI

AC-Klasse VI (DUF3095)
Bezeichner
Symbol DUF3095
Pfam PF11294
InterPro IPR021445
Kontaktvorhersage

Diese Formen von AC wurden bei bestimmten Bakterien ( Prevotella ruminicola O68902 bzw. Rhizobium etli Q8KY20 ) berichtet und wurden nicht umfassend charakterisiert. Es gibt einige zusätzliche Mitglieder (~400 in Pfam), von denen bekannt ist, dass sie in Klasse VI sind. Enzyme der Klasse VI besitzen einen katalytischen Kern ähnlich dem der Klasse III.

Zusätzliche Bilder

Verweise

Weiterlesen

  • Sodeman W, Sodeman T (2005). „Physiologische und Adenylat Cyclase-gekoppelte Beta-adrenerge Rezeptoren“. Pathologische Physiologie von Sodeman: Mechanismen der Krankheit . WB Saunders Co. S. 143–145. ISBN 978-0721610108.

Externe Links