Аденилаткиназа - Adenylate kinase

Аденилаткиназа
Трехмерная лента / модель поверхности аденилаткиназы в комплексе с бис (аденозин) тетрафосфатом (АДФ-АДФ)
Идентификаторы
Символ	ADK
Pfam	PF00406
ИнтерПро	IPR000850
ПРОФИЛЬ	PDOC00104
SCOP2	1ake / SCOPe / SUPFAM
Доступные белковые структуры: Pfam   структуры / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum краткое изложение структуры

Аденилаткиназа ( EC 2.7.4.3 ) (также известная как ADK или миокиназа ) представляет собой фермент фосфотрансферазы, который катализирует взаимное превращение различных аденозинфосфатов (АТФ, АДФ и АМФ). Постоянно контролируя уровни фосфатных нуклеотидов внутри клетки, ADK играет важную роль в гомеостазе клеточной энергии .

ADK_lid
Аденилаткиназа Bacillus stearothermophilus
Идентификаторы
Символ	ADK_lid
Pfam	PF05191
ИнтерПро	IPR007862
ПРОФИЛЬ	PDOC00104
SCOP2	1ake / SCOPe / SUPFAM
Доступные белковые структуры: Pfam   структуры / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum краткое изложение структуры

Изображение PDB 3HPQ, показывающее скелет фермента ADK на рисунке и ключевые остатки в виде палочек, помеченные в соответствии с их размещением в E. coli , кристаллизованной с помощью ингибитора Ap5A.

Подложка и продукция

Катализируемая реакция:

АТФ + АМФ ⇔ 2 АДФ

Константа равновесия меняется в зависимости от условий, но близка к 1. Таким образом, ΔG ^o для этой реакции близко к нулю. В мышцах различных видов позвоночных и беспозвоночных концентрация АТФ обычно в 7-10 раз больше, чем АДФ , и обычно более чем в 100 раз больше, чем АМФ . Скорость окислительного фосфорилирования контролируется доступностью АДФ. Таким образом, митохондрия пытается поддерживать высокий уровень АТФ за счет комбинированного действия аденилаткиназы и контроля окислительного фосфорилирования .

Изоферменты

На сегодняшний день идентифицировано девять изоформ белка ADK человека . Хотя некоторые из них распространены по всему телу, некоторые локализуются в определенных тканях. Например, ADK7 и ADK8 обнаруживаются только в цитозоле клеток; и ADK7 находится в скелетных мышцах, тогда как ADK8 - нет. Различаются не только положения различных изоформ в клетке, но также различны связывание субстрата с ферментом и кинетика переноса фосфорила. ADK1, самый распространенный цитозольный изофермент ADK, имеет K m примерно в тысячу раз выше, чем K m ADK7 и 8, что указывает на гораздо более слабое связывание ADK1 с AMP. Субклеточная локализация ферментов ADK осуществляется путем включения целевой последовательности в белок. Каждая изоформа также по-разному предпочитает NTP. Некоторые будут использовать только АТФ, тогда как другие примут GTP, UTP и CTP в качестве носителя фосфорила.

Некоторые из этих изоформ полностью предпочитают другие NTP. Существует митохондриальная GTP: AMP-фосфотрансфераза, также специфичная для фосфорилирования AMP, которая может использовать только GTP или ITP в качестве донора фосфорила. ADK также был идентифицирован у различных видов бактерий и дрожжей. Известно, что к семейству ADK относятся еще два фермента: уридинмонофосфокиназа дрожжей и киназа UMP-CMP слизистой плесени. Некоторые остатки в этих изоформах сохраняются, что указывает на их важность для катализа. Одна из наиболее консервативных областей включает остаток Arg, модификация которого инактивирует фермент, вместе с Asp, который находится в каталитической щели фермента и участвует в солевом мостике.

Подсемейства

• Аденилаткиназа, подсемейство InterPro :  IPR006259
• Киназа UMP-CMP InterPro :  IPR006266
• Аденилаткиназа, изофермент 1 InterPro :  IPR006267

Механизм

Перенос фосфорила происходит только при закрытии «открытой крышки». Это вызывает исключение молекул воды, которые сближают субстраты друг с другом, снижая энергетический барьер для нуклеофильной атаки α-фосфорила АМФ на γ-фосфорильную группу АТФ, что приводит к образованию АДФ путем переноса γ -фосфорильная группа к AMP. В кристаллической структуре фермента ADK из E. coli с ингибитором Ap5A остаток Arg88 связывает Ap5A по α-фосфатной группе. Было показано, что мутация R88G приводит к потере каталитической активности этого фермента на 99%, что позволяет предположить, что этот остаток непосредственно участвует в переносе фосфорила. Другим высококонсервативным остатком является Arg119, который находится в области связывания аденозина ADK и действует как сэндвич с аденином в активном центре. Было высказано предположение, что неразборчивость этих ферментов в восприятии других NTP происходит из-за этих относительно несущественных взаимодействий основания в кармане связывания АТФ. Сеть положительных консервативных остатков (Lys13, Arg123, Arg156 и Arg167 в ADK из E. coli ) стабилизирует накопление отрицательного заряда на фосфорильной группе во время переноса. Два дистальных остатка аспартата связываются с аргининовой сетью, заставляя фермент сворачиваться и снижая его гибкость. Также необходим кофактор магния , необходимый для увеличения электрофильности фосфата на АМФ, хотя этот ион магния удерживается в активном кармане только за счет электростатических взаимодействий и легко диссоциирует.

Структура

Остатки ADK _{E. coli,} участвующие в связывании субстрата

Гибкость и пластичность позволяют белкам связываться с лигандами , образовывать олигомеры , агрегировать и выполнять механическую работу. Большие конформационные изменения в белках играют важную роль в передаче сигналов в клетках. Аденилаткиназа представляет собой белок, передающий сигнал; таким образом, баланс между конформациями регулирует активность белка. ADK имеет локально развернутое состояние, которое становится незаполненным при связывании.

Описывает общий кинетический цикл семейства ферментов ADK. Обозначен тройной комплекс.

Исследование 2007 года, проведенное Whitford et al. показывает конформации ADK при связывании с АТФ или АМФ. Исследование показывает, что существует три соответствующих конформации или структуры ADK - CORE, Open и Closed. В ADK есть два небольших домена, которые называются LID и NMP. АТФ связывается в кармане, образованном доменами LID и CORE. AMP связывается в кармане, образованном доменами NMP и CORE. Исследование Whitford также сообщило о результатах, которые показывают, что локализованные области белка разворачиваются во время конформационных переходов. Этот механизм снижает напряжение и увеличивает каталитическую эффективность. Локальное разворачивание является результатом конкурирующих энергий напряжения в белке.

Показано, что локальная (термодинамическая) стабильность субстрат-связывающих доменов ATP _lid и AMP _lid значительно ниже по сравнению с CORE-доменом в ADK _{E. coli} . Кроме того, было показано , что две подобласти (АТФ _{крышкой} и АМФ _{крышкой} ) может складывать и раскладывать в «некооперативного образом.» Связывание субстратов вызывает предпочтение «закрытых» конформаций среди тех, которые отбираются ADK. Предполагается, что эти «закрытые» конформации помогают удалять воду из активного центра, чтобы избежать неэкономного гидролиза АТФ, а также помогают оптимизировать выравнивание субстратов для переноса фосфорила. Кроме того, было показано , что апофермент все равно будет пробовать «закрытую» конформацию СПС _крышки и П _крышку доменов в отсутствии субстратов. При сравнении скорости открытия фермента (который позволяет высвобождать продукт) и скорости закрытия, которое сопровождает связывание субстрата, было обнаружено, что закрытие является более медленным процессом.

Функция

Метаболический мониторинг

Способность клетки динамически измерять энергетические уровни дает ей метод мониторинга метаболических процессов. Постоянно отслеживая и изменяя уровни АТФ и других аденилфосфатов (уровни АДФ и АМФ), аденилаткиназа является важным регулятором расхода энергии на клеточном уровне. Когда уровни энергии меняются под действием различных метаболических стрессов, аденилаткиназа может вырабатывать АМФ; который сам действует как сигнальная молекула в дальнейших сигнальных каскадах. Этот генерируемый AMP может, например, стимулировать различные AMP-зависимые рецепторы, такие как те, которые участвуют в гликолитических путях, каналах K-ATP и 5'-AMP-активируемой протеинкиназе ( AMPK ). Общими факторами, которые влияют на уровни адениннуклеотидов и, следовательно, на активность ADK, являются упражнения, стресс, изменения уровня гормонов и диета. Он облегчает декодирование клеточной информации, катализируя обмен нуклеотидов в интимной «зоне восприятия» метаболических сенсоров.

Шаттл ADK

Аденилаткиназа присутствует в митохондриальном и миофибриллярном компартментах клетки и делает два высокоэнергетических фосфорила (β и γ) АТФ доступными для переноса между молекулами адениновых нуклеотидов. По сути, аденилаткиназа доставляет АТФ к участкам с высоким потреблением энергии и удаляет АМФ, образующийся в ходе этих реакций. Эти последовательные ретрансляторы фосфопереноса в конечном итоге приводят к распространению фосфорильных групп вдоль скоплений молекул ADK. Этот процесс можно рассматривать как ведро бригады молекул ADK , что приводит к изменениям в органах местного внутриклеточного метаболического потока без видимых глобальных изменений в метаболита концентрациях. Этот процесс чрезвычайно важен для общего гомеостаза клетки.

Актуальность болезни

Дефицит нуклеозид дифосфаткиназы

Нуклеозиддифосфат (NDP) киназа катализирует in vivo АТФ-зависимый синтез рибо- и дезоксирибонуклеозидтрифосфатов . В мутировавшей Escherichia coli , у которой была нарушена нуклеозиддифосфаткиназа , аденилаткиназа выполняла двойную ферментативную функцию. ADK дополняет дефицит нуклеозиддифосфаткиназы.

Гемолитическая анемия

Дефицит аденилаткиназы в эритроците связан с гемолитической анемией . Это редкая наследственная эритроэнзимопатия, которая в некоторых случаях связана с умственной отсталостью и психомоторными нарушениями. По крайней мере, у двух пациентов наблюдалась желтуха новорожденных и спленомегалия, и им потребовалось переливание крови из-за этого дефицита. У другого пациента аномальный фрагмент с гомозиготными и гетерозиготными заменами A -> G в кодоне 164 вызвал тяжелую недостаточность ADK эритроцитов. У двух братьев и сестер была недостаточность ADK эритроцитов, но у одного не было признаков гемолиза .

AK1 и постишемический коронарный рефлекс

Нокаут AK1 нарушает синхронность между неорганическим фосфатом и оборотом в сайтах потребления АТФ и сайтах синтеза АТФ. Это снижает передачу энергетических сигналов в постишемическом сердце и вызывает неадекватную коронарную проточную ишемию-реперфузию.

Дефицит ADK2

Дефицит аденилаткиназы 2 ( AK2 ) у людей вызывает дефекты кроветворения, связанные с нейросенсорной глухотой . Ректикулярная дисгенезия - аутосомно-рецессивная форма комбинированного иммунодефицита человека . Он также характеризуется нарушением созревания лимфоидов и ранней остановкой дифференцировки в миелоидной линии. Дефицит AK2 приводит к отсутствию или значительному снижению экспрессии белков. AK2 специфически экспрессируется в сосудистой полоске внутреннего уха, что указывает на то, почему люди с дефицитом AK2 будут иметь сенсоневральную глухоту.

Структурные адаптации

Генетическая абляция AK1 снижает устойчивость к метаболическому стрессу. Дефицит AK1 вызывает специфические для типа волокна вариации в группах транскриптов в гликолизе и митохондриальном метаболизме. Это поддерживает метаболизм мышечной энергии.

Пластидный дефицит ADK у Arabidopsis thaliana

Усиленный рост и повышенный уровень фотосинтетических аминокислот связаны с дефицитом пластидальной аденилаткиназы у Arabidopsis thaliana .

использованная литература

внешние ссылки

• Аденилат + киназа в Национальных медицинских предметных рубриках США (MeSH)