Введение

Класс ферментов
Аденолат киназа (EC 2.7.4.3) (также известная как ADK или миокиназа) — это фермент фосфотрансфераза, катализирующий взаимопревращение различных аденозинфосфатов (АТФ, АДФ и АМФ). Постоянно отслеживая уровни фосфатных нуклеотидов внутри клетки, ADK играет важную роль в поддержании клеточного энергетического гомеостаза.

Изозимы

На сегодняшний день выявлено девять человеческих изоформ белка ADK. Некоторые из них распространены по всему организму, другие локализованы в определенных тканях. Например, ADK7 и ADK8 обнаруживаются только в цитозоле клеток; при этом ADK7 присутствует в скелетных мышцах, а ADK8 – нет. Не только локализация различных изоформ внутри клетки различается, но и связывание субстрата с ферментом, и кинетика фосфорилирования также различны. ADK1, наиболее распространенный цитозольный изозим ADK, имеет Km примерно в тысячу раз выше, чем у ADK7 и 8, что свидетельствует о значительно более слабом связывании ADK1 с AMP. Субклеточная локализация ферментов ADK обеспечивается включением сигнальной последовательности в структуру белка. ADK также обнаружен у различных видов бактерий и дрожжей. Еще два фермента известны как родственные семейству ADK, а именно – уридинмонофосфокиназа дрожжей и UMP-CMP-киназа слизевиков. Некоторые аминокислотные остатки консервативны для этих изоформ, что указывает на их существенную роль в катализе. Одной из наиболее консервативных областей является остаток аргинина (Arg), модификация которого инактивирует фермент, а также остаток аспарагиновой кислоты (Asp), расположенный в каталитической щели фермента и участвующий в образовании ионной связи.

Механизм

Передача фосфорила происходит только при закрытии "открытой крышки". Это вызывает исключение молекул воды, что сближает субстраты, снижая энергетический барьер для нуклеофильной атаки α-фосфорилом AMP на γ-фосфорильную группу ATP, приводя к образованию ADP путем переноса γ-фосфорильной группы к AMP. В кристаллической структуре фермента ADK из E. coli с ингибитором Ap5A остаток Arg88 связывает Ap5A с α-фосфатной группой. Показано, что мутация R88G приводит к 99% потере каталитической активности этого фермента, что указывает на тесную вовлеченность этого остатка в перенос фосфорила. Другой высококонсервативный остаток – Arg119, расположенный в области связывания аденозина ADK, и выполняющий функцию "сэндвича" для аденина в активном центре. Предполагается, что неспецифичность этих ферментов в отношении других NTP обусловлена относительно незначительными взаимодействиями основания в АТФ-связывающем кармане. Сеть положительно заряженных 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, вызывая фолдинг фермента и уменьшая его гибкость. Также необходим кофактор магния, который повышает электрофильность фосфата в AMP, хотя этот ион магния удерживается в активном кармане только электростатическими взаимодействиями и легко диссоциирует. Крупные конформационные изменения в белках играют важную роль в клеточной сигнализации. Аденилаткиназа является сигнальным белком; таким образом, баланс между конформациями регулирует активность белка. ADK имеет локально развернутое состояние, которое уменьшается при связывании. Исследование 2007 года, проведенное Whitford и соавторами, демонстрирует конформации ADK при связывании с ATP или AMP. ATP связывается в кармане, образованном доменами LID и CORE. AMP связывается в кармане, образованном доменами NMP и CORE. В исследовании Whitford также сообщается о том, что локальные области белка разворачиваются во время конформационных переходов. Этот механизм снижает напряжение и повышает каталитическую эффективность. Локальное разворачивание является результатом конкурирующих энергий напряжения в белке. Кроме того, показано, что два субдомена (ATPlid и AMPlid) могут складываться и разворачиваться "некооперативным образом". Кроме того, показано, что апофермент все еще способен принимать "закрытые" конформации доменов ATPlid и AMPlid в отсутствие субстратов. Постоянно контролируя и изменяя уровни ATP и других аденилофосфатов (уровни ADP и AMP), аденилаткиназа является важным регулятором расхода энергии на клеточном уровне. По мере изменения энергетических уровней при различных метаболических стрессах аденилаткиназа способна генерировать AMP, который сам по себе 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, KATP-каналах и 5'-AMP-активированной протеинкиназе (AMPK).

AK1 и постишемический коронарный рефлюкс

Нокаутирование AK1 нарушает синхронизацию между неорганическим фосфатом и скоростью метаболизма в местах потребления АТФ и местах синтеза АТФ. Это ослабляет энергетическую сигнальную коммуникацию в пост-ишемическом сердце и приводит к неадекватному коронарному кровотоку после ишемии-реперфузии.

Дефицит ADK2

Дефицит аденилаткиназы 2 (AK2) у человека вызывает гематопоэтические дефекты, связанные с сенсорно-нейронной глухотой. Ретикулярная дисгенезия – это аутосомно-рецессивная форма комбинированного иммунодефицита человека, характеризующаяся нарушением созревания лимфоидных клеток и ранней остановкой дифференцировки в миелоидном росте. Дефицит AK2 приводит к отсутствию или значительному снижению экспрессии белков. AK2 специфически экспрессируется в стрии васкулярис внутреннего уха, что объясняет, почему у людей с дефицитом AK2 развивается сенсорно-нейронная глухота. Это также поддерживает энергетический метаболизм в мышцах.

Дефицит пластидиалового АДК у Arabidopsis thaliana

Усиленный рост и повышенный уровень фотосинтетических аминокислот связаны с дефицитом аденилат киназы пластид у Arabidopsis thaliana.