La adenilato quinasa ( EC 2.7.4.3 ) (también conocida como ADK o mioquinasa ) es una enzima fosfotransferasa que cataliza la interconversión de varios adenosina fosfatos (ATP, ADP y AMP). Al monitorear constantemente los niveles de nucleótidos de fosfato dentro de la célula, ADK juega un papel importante en la homeostasis de la energía celular .
Adenilato quinasa | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
Símbolo | ADK | |||||||
Pfam | PF00406 | |||||||
InterPro | IPR000850 | |||||||
PROSITE | PDOC00104 | |||||||
SCOP2 | 1ake / SCOPe / SUPFAM | |||||||
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ADK_lid | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
Símbolo | ADK_lid | |||||||
Pfam | PF05191 | |||||||
InterPro | IPR007862 | |||||||
PROSITE | PDOC00104 | |||||||
SCOP2 | 1ake / SCOPe / SUPFAM | |||||||
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Adenilato quinasa | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
CE no. | 2.7.4.3 | |||||||
No CAS. | 2598011 | |||||||
Bases de datos | ||||||||
IntEnz | Vista IntEnz | |||||||
BRENDA | Entrada BRENDA | |||||||
FÁCIL | NiceZyme vista | |||||||
KEGG | Entrada KEGG | |||||||
MetaCyc | camino metabólico | |||||||
PRIAM | perfil | |||||||
Estructuras PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
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Sustrato y productos
La reacción catalizada es:
La constante de equilibrio varía con la condición, pero está cerca de 1. [1] Por lo tanto, ΔG o para esta reacción es cercana a cero. En el músculo de una variedad de especies de vertebrados e invertebrados, la concentración de ATP es típicamente de 7 a 10 veces mayor que la de ADP y generalmente mayor de 100 veces la de AMP . [2] La tasa de fosforilación oxidativa está controlada por la disponibilidad de ADP. Por lo tanto, la mitocondria intenta mantener altos los niveles de ATP debido a la acción combinada de la adenilato quinasa y los controles sobre la fosforilación oxidativa .
Isoenzimas
Hasta la fecha se han identificado nueve isoformas de proteína ADK humana . Si bien algunos de estos son omnipresentes en todo el cuerpo, algunos se localizan en tejidos específicos. Por ejemplo, ADK7 y ADK8 solo se encuentran en el citosol de las células; y ADK7 se encuentra en el músculo esquelético, mientras que ADK8 no. [3] No solo varían las ubicaciones de las diversas isoformas dentro de la célula, sino que también son diferentes la unión del sustrato a la enzima y la cinética de la transferencia de fosforilo. ADK1, la isoenzima ADK citosólica más abundante, tiene una K m aproximadamente mil veces mayor que la K m de ADK7 y 8, lo que indica una unión mucho más débil de ADK1 a AMP. [4] La localización subcelular de las enzimas ADK se realiza mediante la inclusión de una secuencia de dirección en la proteína. [3] Cada isoforma también tiene una preferencia diferente por los NTP. Algunos solo usarán ATP, mientras que otros aceptarán GTP, UTP y CTP como portador de fosforilo.
Algunas de estas isoformas prefieren otros NTP por completo. Existe una GTP: AMP fosfotransferasa mitocondrial, también específica para la fosforilación de AMP, que solo puede usar GTP o ITP como donante de fosforilo. [5] También se ha identificado ADK en diferentes especies bacterianas y en levaduras. [6] Se sabe que otras dos enzimas están relacionadas con la familia ADK, es decir, la uridina monofosfoquinasa de levadura y la quinasa UMP-CMP de moho limo. Algunos residuos se conservan a través de estas isoformas, lo que indica cuán esenciales son para la catálisis. Una de las áreas más conservadas incluye un residuo de Arg, cuya modificación inactiva la enzima, junto con una Asp que reside en la hendidura catalítica de la enzima y participa en un puente salino.
Subfamilias
- Adenilato quinasa, subfamilia InterPro : IPR006259
- Quinasa UMP-CMP InterPro : IPR006266
- Adenilato quinasa, isoenzima 1 InterPro : IPR006267
Mecanismo
La transferencia de fosforilo solo ocurre al cerrar la 'tapa abierta'. Esto provoca una exclusión de moléculas de agua que acerca los sustratos entre sí, [7] disminuyendo la barrera de energía para el ataque nucleofílico por el α-fosforilo del AMP en el grupo γ-fosforilo del ATP, lo que resulta en la formación de ADP por transferencia. del grupo γ-fosforilo a AMP. En la estructura cristalina de la enzima ADK de E. coli con el inhibidor Ap5A, el residuo Arg88 se une al Ap5A en el grupo α-fosfato. Se ha demostrado que la mutación R88G da como resultado una pérdida del 99% de la actividad catalítica de esta enzima, lo que sugiere que este residuo está íntimamente involucrado en la transferencia de fosforilo. [8] Otro residuo altamente conservado es Arg119, que se encuentra en la región de unión de la adenosina de la ADK, y actúa intercalando la adenina en el sitio activo. Se ha sugerido que la promiscuidad de estas enzimas en la aceptación de otros NTP se debe a estas interacciones relativamente intrascendentes de la base en el bolsillo de unión de ATP. [9] Una red de residuos conservados positivos (Lys13, Arg123, Arg156 y Arg167 en ADK de E. coli ) estabiliza la acumulación de carga negativa en el grupo fosforilo durante la transferencia. Dos residuos de aspartato distales se unen a la red de arginina, lo que hace que la enzima se pliegue y reduzca su flexibilidad. También se requiere un cofactor de magnesio , esencial para aumentar la electrofilia del fosfato en AMP, aunque este ion magnesio solo se mantiene en el bolsillo activo por interacciones electrostáticas y se disocia fácilmente. [9]
Estructura
La flexibilidad y la plasticidad permiten que las proteínas se unan a ligandos , formen oligómeros , se agreguen y realicen trabajo mecánico. [10] Los grandes cambios conformacionales en las proteínas juegan un papel importante en la señalización celular. La adenilato quinasa es una proteína transductora de señales; por tanto, el equilibrio entre conformaciones regula la actividad de las proteínas. ADK tiene un estado desplegado localmente que se despobla al vincularse. [11]
Un estudio de 2007 de Whitford et al. muestra las conformaciones de ADK cuando se une con ATP o AMP. [10] El estudio muestra que hay tres conformaciones o estructuras relevantes de ADK: CORE, Open y Closed. En ADK, hay dos pequeños dominios llamados LID y NMP. [12] El ATP se une al bolsillo formado por los dominios LID y CORE. AMP se une en el bolsillo formado por los dominios NMP y CORE. El estudio de Whitford también informó hallazgos que muestran que las regiones localizadas de una proteína se despliegan durante las transiciones conformacionales. Este mecanismo reduce la tensión y mejora la eficiencia catalítica. El despliegue local es el resultado de la competencia de las energías de tensión en la proteína. [10]
Se ha demostrado que la estabilidad local (termodinámica) de los dominios de unión al sustrato ATP tapa y AMP tapa es significativamente menor en comparación con el dominio CORE en ADK E. coli . [13] Además, se ha demostrado que los dos subdominios ( tapa de ATP y tapa de AMP ) pueden plegarse y desplegarse de una "manera no cooperativa". [13] La unión de los sustratos provoca preferencia por las conformaciones "cerradas" entre las que se muestrean con ADK. Se plantea la hipótesis de que estas conformaciones "cerradas" ayudan a eliminar el agua del sitio activo para evitar la hidrólisis del ATP, además de ayudar a optimizar la alineación de los sustratos para la transferencia de fosforilo. [14] Además, se ha demostrado que la apoenzima todavía muestreará las conformaciones 'cerrado' de la ATP tapa y AMP tapa dominios en ausencia de sustratos. [7] Al comparar la velocidad de apertura de la enzima (que permite la liberación del producto) y la velocidad de cierre que acompaña a la unión del sustrato, se encontró que el proceso de cierre era más lento.
Función
Monitoreo metabólico
La capacidad de una célula para medir dinámicamente los niveles energéticos le proporciona un método para monitorear los procesos metabólicos. [15] Al monitorear y alterar continuamente los niveles de ATP y los otros adenilfosfatos (niveles de ADP y AMP), la adenilato quinasa es un importante regulador del gasto de energía a nivel celular. [16] A medida que los niveles de energía cambian bajo diferentes tensiones metabólicas, la adenilato quinasa es capaz de generar AMP; que a su vez actúa como una molécula de señalización en más cascadas de señalización. Este AMP generado puede, por ejemplo, estimular varios receptores dependientes de AMP, como los implicados en las vías glucolíticas, los canales de K-ATP y la proteína quinasa activada por 5 'AMP ( AMPK ). [15] Los factores comunes que influyen en los niveles de nucleótidos de adenina y, por lo tanto, en la actividad de ADK son el ejercicio, el estrés, los cambios en los niveles hormonales y la dieta. [15] Facilita la decodificación de la información celular al catalizar el intercambio de nucleótidos en la íntima "zona de detección" de los sensores metabólicos. [15]
Lanzadera ADK
La adenilato quinasa está presente en los compartimentos mitocondriales y miofibrilares de la célula, y hace que dos fosforilos de alta energía (β y γ) de ATP estén disponibles para ser transferidos entre moléculas de nucleótidos de adenina. [15] [16] En esencia, la adenilato quinasa transporta ATP a sitios de alto consumo de energía y elimina el AMP generado en el transcurso de esas reacciones. Estos relés secuenciales de fosfotransferencia finalmente dan como resultado la propagación de los grupos fosforilo a lo largo de colecciones de moléculas de ADK. [15] Este proceso puede considerarse como una brigada de moléculas de ADK que produce cambios en el flujo metabólico intracelular local sin cambios globales aparentes en las concentraciones de metabolitos. [15] Este proceso es extremadamente importante para la homeostasis general de la célula. [15]
Relevancia de la enfermedad
Deficiencia de nucleósido difosfato quinasa
El nucleósido difosfato (NDP) quinasa cataliza la síntesis in vivo dependiente de ATP de ribo- y desoxirribonucleósido trifosfatos. En Escherichia coli mutada que tenía un nucleósido difosfato quinasa alterado , la adenilato quinasa realizaba funciones enzimáticas duales. ADK complementa la deficiencia de nucleósido difosfato quinasa. [17]
Anemia hemolítica
La deficiencia de adenilato quinasa en el eritrocito se asocia con anemia hemolítica . [18] Ésta es una eritroenzimopatía hereditaria poco común que, en algunos casos, se asocia con retraso mental y deterioro psicomotor. [19] Al menos dos pacientes presentaron ictericia neonatal y esplenomegalia y requirieron transfusiones de sangre debido a esta deficiencia. [20] En otro paciente, un fragmento anormal con sustituciones A -> G homocigotas y heterocigotas en el codón 164 causó una deficiencia grave de ADK en eritrocitos. [21] Dos hermanos tenían deficiencia de ADK en eritrocitos, pero uno no tenía evidencia de hemólisis . [22]
AK1 y reflujo coronario posisquémico
La desactivación de AK1 interrumpe la sincronía entre el fosfato inorgánico y el recambio en los sitios que consumen ATP y los sitios de síntesis de ATP. Esto reduce la comunicación de señales energéticas en el corazón posisquémico y precipita una isquemia-reperfusión de flujo de reflujo coronario inadecuado . [23]
Deficiencia de ADK2
La deficiencia de adenilato quinasa 2 ( AK2 ) en humanos causa defectos hematopoyéticos asociados con sordera neurosensorial . [24] La disgenesia recticular es una forma autosómica recesiva de inmunodeficiencia humana combinada . También se caracteriza por una maduración linfoide alterada y una detención temprana de la diferenciación en el linaje mieloide. La deficiencia de AK2 da como resultado la ausencia o una gran disminución de la expresión de proteínas. AK2 se expresa específicamente en la estría vascular del oído interno, lo que indica por qué los individuos con una deficiencia de AK2 tendrán sordera neurosensorial. [24]
Adaptaciones estructurales
La ablación genética de AK1 disminuye la tolerancia al estrés metabólico. La deficiencia de AK1 induce una variación específica del tipo de fibra en grupos de transcripciones en la glucólisis y el metabolismo mitocondrial. [25] Esto apoya el metabolismo de la energía muscular.
Deficiencia plastidial de ADK en Arabidopsis thaliana
El crecimiento mejorado y el aminoácido fotosintético elevado se asocian con la deficiencia de adenilato quinasa plastidial en Arabidopsis thaliana . [26]
Referencias
- ^ La base de datos de termodinámica de reacciones catalizadas por enzimas del NIST, http://xpdb.nist.gov/enzyme_thermodynamics/enzyme1.pl , Goldberg RN, Tewari YB, Bhat TN (noviembre de 2004). "Termodinámica de reacciones catalizadas por enzimas - una base de datos para bioquímica cuantitativa" . Bioinformática . 20 (16): 2874–7. doi : 10.1093 / bioinformatics / bth314 . PMID 15145806 ., da constantes de equilibrio, busca adenilato quinasa bajo enzimas
- ^ Beis I, Newsholme EA (octubre de 1975). "El contenido de nucleótidos de adenina, fosfágenos y algunos intermedios glucolíticos en músculos en reposo de vertebrados e invertebrados" . La revista bioquímica . 152 (1): 23–32. doi : 10.1042 / bj1520023 . PMC 1172435 . PMID 1212224 .
- ^ a b Panayiotou C, Solaroli N, Karlsson A (abril de 2014). "Las muchas isoformas de adenilato quinasas humanas". La Revista Internacional de Bioquímica y Biología Celular . 49 : 75–83. doi : 10.1016 / j.biocel.2014.01.014 . PMID 24495878 .
- ^ Panayiotou C, Solaroli N, Xu Y, Johansson M, Karlsson A (febrero de 2011). "La caracterización de las adenilato quinasas humanas 7 y 8 demuestra diferencias en los parámetros cinéticos y la organización estructural entre la familia de isoenzimas adenilato quinasas" (PDF) . La revista bioquímica . 433 (3): 527–34. doi : 10.1042 / BJ20101443 . PMID 21080915 .
- ^ Tomasselli AG, Noda LH (enero de 1979). "Fosfotransferasa Mitocondrial GTP-AMP. 2. Estudios de diálisis cinética y de equilibrio". Revista europea de bioquímica . 93 (2): 263–7. doi : 10.1111 / j.1432-1033.1979.tb12819.x . PMID 218813 .
- ^ Cooper AJ, Friedberg EC (mayo de 1992). "Un putativo segundo gen que codifica la adenilato quinasa de la levadura Saccharomyces cerevisiae". Gene . 114 (1): 145–8. doi : 10.1016 / 0378-1119 (92) 90721-Z . PMID 1587477 .
- ^ a b Henzler-Wildman KA, Thai V, Lei M, Ott M, Wolf-Watz M, Fenn T, Pozharski E, Wilson MA, Petsko GA, Karplus M, Hübner CG, Kern D (diciembre de 2007). "Movimientos intrínsecos a lo largo de una trayectoria de reacción enzimática". Naturaleza . 450 (7171): 838–44. doi : 10.1038 / nature06410 . PMID 18026086 .
- ^ Reinstein J, Gilles AM, Rose T, Wittinghofer A, Saint Girons I, Bârzu O, Surewicz WK, Mantsch HH (mayo de 1989). "Papel estructural y catalítico de la arginina 88 en la adenilato quinasa de Escherichia coli como lo demuestra la modificación química y la mutagénesis dirigida al sitio". La revista de química biológica . 264 (14): 8107–12. PMID 2542263 .
- ^ a b Müller CW, Schulz GE (marzo de 1992). "Estructura del complejo entre la adenilato quinasa de Escherichia coli y el inhibidor Ap5A refinado a una resolución de 1,9 A. Un modelo para un estado de transición catalítica". Revista de Biología Molecular . 224 (1): 159–77. doi : 10.2210 / pdb1ake / pdb . PMID 1548697 .
- ^ a b c Whitford PC, Miyashita O, Levy Y, Onuchic JN (marzo de 2007). "Transiciones conformacionales de adenilato quinasa: cambio por craqueo" . Revista de Biología Molecular . 366 (5): 1661–71. doi : 10.1016 / j.jmb.2006.11.085 . PMC 2561047 . PMID 17217965 .
- ^ Schrank TP, Bolen DW, Hilser VJ (octubre de 2009). "La modulación racional de las fluctuaciones conformacionales en la adenilato quinasa revela un mecanismo de despliegue local para la adaptación funcional y alosterio en las proteínas" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 106 (40): 16984–9. doi : 10.1073 / pnas.0906510106 . PMC 2761315 . PMID 19805185 .
- ^ Daily MD, Phillips GN, Cui Q (julio de 2010). "Muchos movimientos locales cooperan para producir la transición conformacional de la adenilato quinasa" . Revista de Biología Molecular . 400 (3): 618–31. doi : 10.1016 / j.jmb.2010.05.015 . PMC 2902635 . PMID 20471396 .
- ^ a b Rundqvist L, Adén J, Sparrman T, Wallgren M, Olsson U, Wolf-Watz M (marzo de 2009). "Plegamiento no cooperativo de subdominios en adenilato quinasa". Bioquímica . 48 (9): 1911–27. doi : 10.1021 / bi8018042 . PMID 19219996 .
- ^ Olsson U, Wolf-Watz M (noviembre de 2010). "Superposición entre paisajes de energía plegables y funcionales para el cambio conformacional de adenilato quinasa" . Comunicaciones de la naturaleza . 1 (8): 111. doi : 10.1038 / ncomms1106 . PMID 21081909 .
- ^ a b c d e f g h Dzeja P, Terzic A (abril de 2009). "Redes de señalización de adenilato quinasa y AMP: monitoreo metabólico, comunicación de señales y detección de energía corporal" . Revista Internacional de Ciencias Moleculares . 10 (4): 1729–72. doi : 10.3390 / ijms10041729 . PMC 2680645 . PMID 19468337 .
- ^ a b Dzeja PP, Chung S, Faustino RS, Behfar A, Terzic A (abril de 2011). "La mejora del desarrollo del eje de señalización metabólica de adenilato quinasa-AMPK apoya la diferenciación cardíaca de células madre" . PLOS ONE . 6 (4): e19300. doi : 10.1371 / journal.pone.0019300 . PMC 3083437 . PMID 21556322 .
- ^ Lu Q, Inouye M (junio de 1996). "La adenilato quinasa complementa la deficiencia de nucleósido difosfato quinasa en el metabolismo de nucleótidos" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 93 (12): 5720–5. doi : 10.1073 / pnas.93.12.5720 . PMC 39127 . PMID 8650159 .
- ^ Matsuura, S .; Igarashi, M .; Tanizawa, Y .; Yamada, M .; Kishi, F .; Kajii, T .; Fujii, H .; Miwa, S .; Sakurai, M .; Nakazawa, A. (junio de 1989). "Deficiencia de adenilato quinasa humana asociada con anemia hemolítica. Una sustitución de una sola base que afecta la solubilidad y la actividad catalítica de la adenilato quinasa citosólica". J Biol Chem . 264 (17): 10148–55. PMID 2542324 .
- ^ Abrusci P, Chiarelli LR, Galizzi A, Fermo E, Bianchi P, Zanella A, Valentini G (agosto de 2007). "Deficiencia de adenilato quinasa de eritrocitos: caracterización de formas mutantes recombinantes y relación con anemia hemolítica no esferocítica". Hematología experimental . 35 (8): 1182–9. doi : 10.1016 / j.exphem.2007.05.004 . PMID 17662886 .
- ^ Corrons JL, García E, Tusell JJ, Varughese KI, West C, Beutler E (julio de 2003). "Deficiencia de adenilato quinasa de glóbulos rojos: estudio molecular de 3 nuevas mutaciones (118G> A, 190G> A y deleción de GAC) asociadas con anemia hemolítica no esferocítica hereditaria" . Sangre . 102 (1): 353–6. doi : 10.1182 / sangre-2002-07-2288 . PMID 12649162 .
- ^ Qualtieri, A .; Pedace, V .; Bisconte, MG .; Bria, M .; Gulino, B .; Andreoli, V .; Brancati, C. (diciembre de 1997). "Deficiencia grave de adenilato quinasa de eritrocitos debido a la sustitución homocigótica A -> G en el codón 164 del gen AK1 humano asociado con anemia hemolítica crónica". Br J Haematol . 99 (4): 770–6. doi : 10.1046 / j.1365-2141.1997.4953299.x . PMID 9432020 .
- ^ Beutler E, Carson D, Dannawi H, Forman L, Kuhl W, West C, Westwood B (agosto de 1983). "Compensación metabólica por deficiencia profunda de adenilato quinasa de eritrocitos. Un defecto enzimático hereditario sin anemia hemolítica" . La Revista de Investigación Clínica . 72 (2): 648–55. doi : 10.1172 / JCI111014 . PMC 1129224 . PMID 6308059 .
- ^ Dzeja PP, Bast P, Pucar D, Wieringa B, Terzic A (octubre de 2007). "La señalización metabólica defectuosa en corazones knock-out del gen de la adenilato quinasa AK1 compromete el reflujo coronario post-isquémico" . La revista de química biológica . 282 (43): 31366–72. doi : 10.1074 / jbc.M705268200 . PMC 3232003 . PMID 17704060 .
- ^ a b Lagresle-Peyrou C, Six EM, Picard C, Rieux-Laucat F, Michel V, Ditadi A, Demerens-de Chappedelaine C, Morillon E, Valensi F, Simon-Stoos KL, Mullikin JC, Noroski LM, Besse C, Wulffraat NM , Ferster A, Abecasis MM, Calvo F, Petit C, Candotti F, Abel L, Fischer A, Cavazzana-Calvo M (enero de 2009). "La deficiencia de adenilato quinasa 2 humana causa un profundo defecto hematopoyético asociado con la sordera neurosensorial" . Genética de la naturaleza . 41 (1): 106-11. doi : 10.1038 / ng.278 . PMC 2612090 . PMID 19043416 .
- ^ Janssen E, de Groof A, Wijers M, Fransen J, Dzeja PP, Terzic A, Wieringa B (abril de 2003). "La deficiencia de adenilato quinasa 1 induce adaptaciones moleculares y estructurales para apoyar el metabolismo energético muscular" . La revista de química biológica . 278 (15): 12937–45. doi : 10.1074 / jbc.M211465200 . PMID 12562761 .
- ^ Carrari F, Coll-Garcia D, Schauer N, Lytovchenko A, Palacios-Rojas N, Balbo I, Rosso M, Fernie AR (enero de 2005). "La deficiencia de una adenilato quinasa plastidial en Arabidopsis da como resultado una elevada biosíntesis de aminoácidos fotosintéticos y un crecimiento mejorado" . Fisiología vegetal . 137 (1): 70–82. doi : 10.1104 / pp.104.056143 . PMC 548839 . PMID 15618410 .
enlaces externos
- Adenilato + quinasa en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .