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.
Adenylate kinase (EC 2.7.4.3) (also known as ADK or myokinase) is a phosphotransferase enzyme that catalyzes the interconversion of the various adenosine phosphates (ATP, ADP, and AMP). By constantly monitoring phosphate nucleotide levels inside the cell, ADK plays an important role in cellular energy homeostasis.
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.