Введение
Циклический нуклеотид (cNMP) представляет собой однофосфатный нуклеотид с циклической связью между сахаром и фосфатной группой. Как и другие нуклеотиды, циклические нуклеотиды состоят из трех функциональных групп: сахара, азотистого основания и одной фосфатной группы. Как видно на изображениях циклического аденозинмонофосфата (cAMP) и циклического гуанозинмонофосфата (cGMP), "циклическая" часть состоит из двух связей между фосфатной группой и 3'- и 5'-гидроксильными группами сахара, чаще всего рибозы. Их биологическое значение включает широкий спектр взаимодействий с белками-лигандами. Они идентифицированы как вторичные посредники в передаче сигналов гормонов и ионных каналов в эукариотических клетках, а также как аллостерические эффекторы белков, связывающих ДНК, в прокариотических клетках. В настоящее время cAMP и cGMP являются наиболее хорошо изученными циклическими нуклеотидами, однако есть данные о том, что cCMP (с цитозином) также участвует в клеточной передаче сигналов в эукариотических клетках. Роль циклического уридинмонофосфата (cUMP) изучена еще меньше. Открытие циклических нуклеотидов внесло значительный вклад в понимание механизмов киназ и фосфатаз, а также регуляции белков в целом. Несмотря на то, что с момента их первоначального открытия прошло более 50 лет, интерес к циклическим нуклеотидам и их биохимическому и физиологическому значению сохраняется.
A cyclic nucleotide (cNMP) is a single phosphate nucleotide with a cyclic bond arrangement between the sugar and phosphate groups. Like other nucleotides, cyclic nucleotides are composed of three functional groups: a sugar, a nitrogenous base, and a single phosphate group. As can be seen in the cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and cyclic guanosine monophosphate (cGMP) images, the 'cyclic' portion consists of two bonds between the phosphate group and the 3' and 5' hydroxyl groups of the sugar, very often a ribose. Their biological significance includes a broad range of protein ligand interactions. They have been identified as secondary messengers in both hormone and ion channel signalling in eukaryotic cells, as well as allosteric effector compounds of DNA binding proteins in prokaryotic cells. cAMP and cGMP are currently the most well documented cyclic nucleotides, however there is evidence that cCMP (with cytosine) is also involved in eukaryotic cellular messaging. The role of cyclic uridine monophosphate (cUMP) is even less well known. Discovery of cyclic nucleotides has contributed greatly to the understanding of kinase and phosphatase mechanisms, as well as protein regulation in general. Although more than 50 years have passed since their initial discovery, interest in cyclic nucleotides and their biochemical and physiological significance continues.
История
Понимание концепции вторых посредников, и в частности роли циклических нуклеотидов и их способности передавать физиологические сигналы клетке, берет свое начало в исследованиях метаболизма гликогена Карлом и Герти Кори, за которые они были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине в 1947 году. Каждый циклический нуклеотид имеет три компонента. Он содержит азотистое основание (то есть содержит азот): например, аденин в цАМФ и гуанин в цГМФ. Он также содержит сахар, а именно пятиуглеродную рибозу. И, наконец, циклический нуклеотид содержит фосфат. Двойное кольцо пурина является азотистым основанием для цАМФ и цГМФ, в то время как цитозин, тимин и урацил имеют однокольцевое азотистое основание (пиримидин). Эти три компонента соединены таким образом, что азотистое основание присоединено к первому углероду рибозы (1’ углерод), а фосфатная группа – к 5’ углероду рибозы. Хотя все нуклеотиды имеют такую структуру, фосфатная группа образует вторую связь с рибозным кольцом на 3’ углероде в циклических нуклеотидах. Поскольку фосфатная группа имеет две отдельные связи с рибозным сахаром, она формирует циклическое кольцо. Используется общепринятая система нумерации атомов для идентификации углеродов и азотов в циклическом нуклеотиде. В пентозе углерод, ближайший к карбонильной группе, обозначается C1. Когда пентоза соединена с азотистым основанием, нумерация углеродов различается с помощью штриха ('), чтобы отличать эти углероды от нумерации атомов азотистого основания. Таким образом, для цАМФ 3’5’-циклический аденозинмонофосфат указывает на то, что одна фосфатная группа образует циклическую структуру с рибозной группой на ее 3’ и 5’ углеродах, в то время как рибозная группа также присоединена к аденозину (эта связь подразумевается как 1’ положение рибозы).
Биохимия
Циклические нуклеотиды обнаруживаются как в прокариотических, так и в эукариотических клетках. Регуляция внутриклеточных концентраций поддерживается посредством ряда ферментативных реакций с участием нескольких семейств белков. У млекопитающих высших порядков cNMP присутствуют во многих типах тканей.
Синтез и деградация
Циклические нуклеотиды образуются в результате общей реакции NTP → cNMP + PPi, где N обозначает азотистое основание. Эта реакция катализируется специфическими нуклеотидильными циклазами: образование cAMP катализируется аденилатциклазой, а образование cGMP – гуанилатциклазой. Аденилатциклаза обнаружена как в трансмембранной, так и в цитозольной форме, представляя собой различные классы белков и разные источники cAMP. Как cAMP, так и cGMP подвергаются деградации в результате гидролиза 3'-фосфодиэфирной связи, приводящего к образованию 5'-NMP. Деградация осуществляется главным образом классом ферментов, известных как фосфодиэстеразы (ФДЭ). В клетках млекопитающих известно 11 семейств ФДЭ, с различными изоформами каждого белка, экспрессируемыми в соответствии с регуляторными потребностями клетки. Некоторые фосфодиэстеразы специфичны к cNMP, в то время как другие могут гидролизовать субстраты неспецифически. Однако пути деградации cAMP и cGMP изучены гораздо лучше, чем пути деградации cCMP или cUMP. Идентификация специфических ФДЭ для cCMP и cUMP установлена не столь тщательно.
Целевая связь
Циклические нуклеотиды можно обнаружить во многих различных типах эукариотических клеток, включая фоторецепторные палочки и колбочки, клетки гладкой мускулатуры и клетки печени. Клеточные концентрации циклических нуклеотидов могут быть очень низкими, порядка 10−7 М, поскольку метаболизм и функция часто локализованы в определенных участках клетки. Высококонсервативный домен связывания циклических нуклеотидов (CNB) присутствует во всех белках, связывающих cNMP, независимо от их биологической функции. Домен состоит из архитектуры бета-сэндвича, при этом связывающий карман для циклического нуклеотида расположен между бета-листами. Связывание cNMP вызывает конформационное изменение, которое влияет на активность белка. Также существуют данные, подтверждающие синергетический эффект связывания нескольких циклических нуклеотидов, при котором cCMP снижает эффективную концентрацию (EC50) cAMP, необходимую для активации протеинкиназы A (PKA).
Мутации и связанные с ними заболевания
Примеры нарушений cNMP-путей включают: мутации в генах каналов CNG ассоциированы с дегенерацией сетчатки и цветовой слепотой; а переэкспрессия цитозольной или растворимой аденилциклазы (sAC) связана с раком предстательной железы человека. Показано, что ингибирование sAC или подавление с помощью РНК-интерференции (RNAi) предотвращает пролиферацию клеток рака предстательной железы. Регуляторный путь, по-видимому, является частью пути EPAC, а не пути PKA. Фосфодиэстеразы, основные регуляторы деградации cNMP, часто служат мишенями для терапевтических средств. Кофеин – известный ингибитор ФДЭ, а препараты, используемые для лечения эректильной дисфункции, такие как силденафил и тадалафил, также действуют, ингибируя активность фосфодиэстераз.