Введение

Фермент с ключевой регуляторной ролью в большинстве клеток

Аденилатциклаза (EC 4.6.1.1, также часто известная как аденилатциклаза и аденилилциклаза, сокращенно AC) – это фермент с систематическим названием АТФ-дифосфат-лиаза (циклизующий; 3′,5′-циклический АМФ-образующий). Он катализирует следующую реакцию:

АТФ = 3′,5′-циклический АМФ + дифосфат

Он играет ключевую регуляторную роль практически во всех клетках. Это наиболее полифилетический из известных ферментов: описано шесть различных классов, все они катализируют одну и ту же реакцию, но представляют собой неродственные семейства генов, не имеющие известного сходства в последовательности или структуре. Наиболее известный класс аденилатциклаз – класс III или AC III (римские цифры используются для обозначения классов). AC III широко распространен у эукариот и играет важную роль во многих тканях человека. Все классы аденилатциклаз катализируют превращение аденозинтрифосфата (АТФ) в 3′,5′-циклический АМФ (cAMP) и пирофосфат.

Класс II

Эти аденилциклазы являются токсинами, выделяемыми патогенными бактериями, такими как Bacillus anthracis, Bordetella pertussis, Pseudomonas aeruginosa и Vibrio vulnificus, во время инфекций. Эти бактерии также секретируют белки, обеспечивающие проникновение AC II в клетки хозяина, где экзогенная активность аденилциклазы нарушает нормальные клеточные процессы. Гены аденилциклаз класса II известны как cyaA, одним из которых является токсин сибирской язвы. Для ферментов AC II известны несколько кристаллических структур.

Класс III

Эти аденилциклазы наиболее хорошо изучены благодаря обширным исследованиям, обусловленным их важной ролью в здоровье человека. Они также встречаются у некоторых бактерий, в частности у Mycobacterium tuberculosis, где, по-видимому, играют ключевую роль в патогенезе. Большинство AC III являются интегральными мембранными белками, участвующими в трансдукции внеклеточных сигналов во внутриклеточные ответы. В 1971 году Эрлу Сазерленду была присуждена Нобелевская премия за открытие ключевой роли AC III в печени человека, где адреналин косвенно стимулирует AC для мобилизации запасов энергии в ответ на реакцию "борьба или бегство". Эффект адреналина осуществляется посредством каскада G-белковой сигнализации, который передает химические сигналы извне клетки через мембрану внутрь клетки (цитоплазму). Внешний сигнал (в данном случае адреналин) связывается с рецептором, который передает сигнал G-белку, который передает сигнал аденилциклазе, которая передает сигнал, преобразуя аденозинтрифосфат в циклический аденозинмонофосфат (cAMP). cAMP известен как вторичный мессенджер. Циклический АМФ является важной молекулой в эукариотической трансдукции сигнала, так называемый вторичный мессенджер. Аденилциклазы часто активируются или ингибируются G-белками, которые связаны с мембранными рецепторами и, следовательно, могут реагировать на гормональные или другие стимулы. После активации аденилциклазы образовавшийся cAMP действует как вторичный мессенджер, взаимодействуя и регулируя другие белки, такие как протеинкиназа А и ионные каналы, активируемые циклическими нуклеотидами. Недавно была сконструирована аденилциклаза родопсина, активируемая зеленым светом (CaRhAC), путем модификации нуклеотид-связывающего кармана гуанилилциклазы родопсина.

Структура

Большинство аденилциклаз класса III являются трансмембранными белками с 12 трансмембранными сегментами. Белок организован в виде 6 трансмембранных сегментов, за которыми следует цитоплазматический домен C1, затем еще 6 мембранных сегментов и, наконец, второй цитоплазматический домен, называемый C2. N-конец, а также области C1 и C2 важны для функционирования. Поддомены C1a и C2a гомологичны и образуют внутримолекулярный "димер", формирующий активный центр. У *Mycobacterium tuberculosis* и многих других бактерий полипептид AC III вдвое короче и состоит из одного 6-трансмембранного домена, за которым следует цитоплазматический домен, однако два таких полипептида образуют функциональный гомодимер, напоминающий архитектуру аденилциклаз млекопитающих с двумя активными центрами. У некажущихся животных аденилциклаз класса III каталитический цитоплазматический домен ассоциирован с другими доменами (не обязательно трансмембранными). Домены аденилциклазы класса III можно разделить на четыре подсемейства: IIIa–IIId. Мембранные аденилциклазы животных относятся к классу IIIa. В нейронах кальций-чувствительные аденилциклазы расположены вблизи кальциевых ионных каналов для более быстрой реакции на приток Ca2+ и предположительно играют важную роль в процессах обучения. Это подтверждается тем, что аденилциклазы являются детекторами совпадений, то есть активируются только при одновременном поступлении нескольких различных сигналов. В периферических клетках и тканях аденилциклазы, по-видимому, формируют молекулярные комплексы со специфическими рецепторами и другими сигнальными белками, специфичным для изоформы образом.

Функция

Индивидуальные трансмембранные изоформы аденилилциклазы связаны с многочисленными физиологическими функциями. Растворимая аденилилциклаза (sAC, AC10) играет критическую роль в подвижности сперматозоидов. Аденилилциклаза вовлечена в формирование памяти, функционируя как детектор совпадений.

Класс IV

Впервые AC IV был обнаружен в бактерии Aeromonas hydrophila, а структура AC IV из Yersinia pestis была определена. Это самые маленькие из классов ферментов AC; AC IV (CyaB) из Yersinia является димером, состоящим из 19 кДа субъединиц, и не имеет известных регуляторных компонентов. AC IV формирует суперсемейство с тиаминтрифосфатазой млекопитающих, называемой CYTH (CyaB, тиаминтрифосфатазой).

Классы V и VI

Эти формы АЦ были обнаружены у определенных бактерий (Prevotella ruminicola и Rhizobium etli, соответственно) и изучены недостаточно подробно. В классе VI известно около 400 дополнительных членов (в Pfam). Ферменты класса VI обладают каталитическим ядром, сходным с ядром класса III.