Nucleótido cíclico

Adenosín monofosfato cíclico. A porción cíclcica está foramda polos dous enlaces simples entre o grupo fosfato e o azucre ribosa

Un nucleótido cíclico (nucleótido monofosfato cíclico, NMPc ou, en inglés, cNMP) é un nucleótido que contén un só fosfato, no que se establece un enlace cíclico entre o fosfato e o azucre do nucleótido. Igual que outros nucleótidos, os nucleótidos cíclicos están compostos de tres grupos funcionais: un azucre, unha base nitroxenada e un só grupo fosfato. Como pode verse na imaxe do adenosín monofosfato cíclico (AMPc), a porción 'cíclica' consta de dous enlaces entre o grupo fosfato e os grupos hidroxilos 3' e 5' do azucre, xeralmente ribosa.

A súa importancia biolóxica inclúe unha ampla gama de interaccións proteína-ligando. Foron identificados como segundos mensaxeiros das sinalizacións por medio de hormonas e canles iónicas nas células eucariotas, así como efectores alostéricos de proteínas que se unen ao ADN en células procariotas. O AMPc e o GMPc son actualmente os nucleótidos cíclicos mellor estudados; porén hai probas de que o CMPc (citidín monofosfato cíclico) está tamén implicado nas mensaxes celulares en eucariotas. O papel do uridín monofosfato cíclico (UMPc) é aínda menos coñecido.[1][2]

O descubrimento de nucleótidos cíclicos contribuíu moito á comprensión dos mecanismos das quinases e fosfatases e da regulación das proteínas en xeral. Aínda que pasaron máis de 50 anos desde o seu descubrimento, o interese nos nucleótidos cíclicos e a súa importancia fisiolóxica e bioquímica continúa.

Historia

A comprensión do concepto de segundo mensaxeiro e en particular do papel dos nucleótidos cíclicos e a súa capacidade de facer relevo no envío de sinais ás células, tivo a súa orixe na investigación do metabolismo do glicóxeno feita por Carl e Gerty Cori, polo cal recibiron o Premio Nobel de Fisioloxía e Medicina de 1947.[3] Foron facéndose diversos descubrimentos menores pero importantes ao longo da década de 1950 que se engadiron a estas primeiras investigacións, principalmente enfocados á actividade da glicóxeno fosforilase en fígado de can. A glicóxeno fosforilase cataliza o primeiro paso da glicoxenólise, o proceso no cal se degrada o glicóxeno nas unidades de glicosa que o constitúen.[4] Earl Sutherland investigou o efecto das hormonas adrenalina (epinefrina) e glicagón sobre a glicóxeno fosforilase, gañando por isto o Premio Nobel de Medicina de 1971.[3]

En 1956 Edwin Krebs e Edmond Fischer descubriron que cómpre adenosín trifosfato (ATP) para a conversión da glicóxeno fosforilase b en glicóxeno fosforilase a. Cando investigaban a acción da adrenalina sobre a glicoxenólise no ano seguinte, Sutherland e Walter Wosilait informaron que se liberaba fosfato inorgánco cando se inactivaba o encima fosforilase do fígado; pero cando é activado, incorpora un fosfato.[3] O “factor activo” que producían as hormonas[4] foi purificado finalment en 1958, e despois identificouse como unha molécula que contiña unha ribosa, un fosfato e unha adenina en igual proporción. Ademais, probouse que este factor revertía a 5’-AMP cando era inactivado.[3]

Evgeny Fesenko, Stanislav Kolesnikov e Arkady Lyubarsky descubriron en 1985 que o guanosín monofosfato cíclico (GMPc) pode iniciar a fotorresposta en bastóns da retina. Pouco despois, Tadashi Nakamura e Geoffrey Gol informaron do papel dos NMPc nas canles iónicas de cilios quimiosensibles das neuronas sensoriais olfactorias. En 1992 Lawrence Haynes e King-Wai Yau descubriron o papel dos NMPc nas canles iónicas reguladas por nucleótido cíclico dependentes da luz dos fotorreceptores conos.[5] Ao final da década, coñeceuse a presenza de dous tipos de receptores intramembrana: Rs (que estimula a ciclase) e Ri (que inhibe a ciclase). Wei-Jen Tang e James Hurley informaron en 1998 que a adenilil ciclase, que sintetiza AMPc, non só é regulada por hormonas e neurotransmisores, senón tamén por fosforilación, o calcio, a forskolina e as proteínas que se unen a nucleótidos de guanina (proteínas G).[4]

Química dos NMPc

Estrutura

Guanosín monofosfato cíclico. A porción cíclica está formada polos dous enlaces simples entre o grupo fosfato e a ribosa.

Cada nucleótido cíclcico ten tres compoñentes. Contén unha base nitroxenada, por exemplo, adenina no AMPc ou guanina no GMPc; un azucre, especificamente a ribosa de cinco carbonos, e un fosfato. Os dous nucleótidos cíclicos máis estudados son o AMP cíclico (AMPc ou, en inglés, cAMP) e o GMP cíclico (GMPc ou, en inglés, cGMP), mentres que o CMP cíclico (CMPc) e o UMP cíclico (UMPc) son menos coñecidos. Todos eles teñen ciclos con enlaces 3',5'.[2]

Os tres compoñentes dun nucleótido cíclico están conectados de modo que a base nitroxenada se une ao carbono 1 da ribosa (carbono 1’) e o grupo fosfato está unido ao carbono 5’ da ribosa. Esta é a estrutura típica de moitos nucleótidos, pero nos nucleótidos cíclicos o grupo fosfato establece un segundo enlace coa ribosa no carbono 3’, o que determina que o fosfato e a ribosa formen un ciclo.[6][7]

Bioquímica

Os nucleótidos cíclicos encóntranse en procariotas e eucariotas. O control das concentracións celulares mantense por medio dunha serie de reaccións encimáticas nas que interveñen varias familias de proteínas. Son nucleótidos monofosfato, pero en bacterias tamén se encontraron nucleótidos diméricos cíclicos, como o di-AMP cíclico e o di-GMP cíclico, que conteñen dous nucleótidos completos unidos polos seus dous fosfatos (o fosfato dun deles enlázase coa ribosa do outro) formando un ciclo.[8] Outro nucleótido cíclico distinto dos monofosfato é a ADP-ribosa cíclico, que ten unha adenina, dúas ribosas e dous fosfatos e os fosfatos enlázanse entre si formando un ciclo.[9]

Síntese e degradacion

Reacción de biosíntese de nucleótidos cíclicos por acción dunha ciclase.

Os nucleótidos cíclicos prodúcense pola reacción xenérica NTP → NMPc + PPi,[10] onde o N representa unha base nitroxenada. A reacción está catalizada por nucleotidil ciclases específicas, como na produción de AMPc, que é catalizada por unha adenilil ciclase, ou a produción de GMPc, que é catalizada por unha guanilil ciclase.[4] A adenilil ciclase atopouse tanto en forma citosólica libre coma en forma transmembrana, que representan distintas clases de proteínas e diferentes fontes de AMPc na célula.[11]

Reacción de hidrólise xenérica do enlace fosfodiéster 3' nun NMPc realizada por unha fosfodiesterase.

Tanto o AMPc coma o GMPc degrádanse por hidrólise do enlace fosfodiéster 3', orixinando un 5'NMP. A degradación é levada a cabo principalmente por unha clase de encimas coñecidos como fosfodiesterases (PDEs). En células de mamíferos hai 11 familias de PDE con varias isoformas de cada proteína que se expresan segundo as necesidades regulatorias. Algunhas fosfodiesterases son específicas de NMPc, mentres que outras poden hidrolizar de xeito non específico.[12] Porén, as vías de degradación do AMPc e GMPc son moito máis coñecidas que as do CMPc ou UMPc. A identificación de PDEs específicas para o CMPc e UMPc non foron claramente establecidas.[13]

Unión a dianas

Os nucleótidos cíclicos poden encontrarse en moitos tipos de células eucariotas, como os fotorreceptores conos e bastóns, células musculares lisas e células do fígado. As concentracións celulares de nucleótidos cíclicos poden ser moi baixas, no rango de concentracións de 10−7M, porque o seu metabolismo e función adoitan estar localizados en determinadas partes da célula.[3] Un dominio de unión a nucleótido cíclico (CNB) moi conservado está presente en todas as proteínas que se unen a NMPc, sen importar cal sexa a súa función biolóxica. O dominio consiste nunha arquitectura en sándwich beta, co peto de unión ao nucleótido cíclico situado entre as follas beta. A unión de NMPc causa un cambio conformacional que afecta á actividade da proteína.[14] Hai tamén datos que apoian un efecto de unión sinérxica entre múltiples nucleótidos ciclicos, no que o CMPc rebaixa a concentración efectiva (EC50) do AMPc para a activación da proteín quinase A (PKA).[15]

Bioloxía

Os nucleótidos cíclicos son unha parte integral dun sistema de comunicación que actúa dentro das células.[3] Actúan como "segundos mensaxeiros" dando o relevo a sinais de moitos primeiros mensaxeiros, como hormonas ou neurotransmisores, para que cheguen aos seus destinos fisiolóxicos. Os nucleótidos cíclicos participan en moitas respostas fisiolóxicas,[16] incluíndo o acoplamento receptor-efector, a regulación á baixa da capacidade de resposta de drogas, cadoiros de proteín quinases e transdución de sinais transmembrana.[3]

Os nucleótidos cíclicos actúan como segundos mensaxeiros cando os primeiros mensaxeiros, que non poden entrar na célula, se unen a receptores da membrana plasmática. O receptor cambia de conformación e transmite un sinal que activa un encima na parte interior da membrana da célula chamada adenilil ciclase. Isto produce AMPc no interior da célula, onde estimula unha proteín quinase chamada proteín quinase dependente de AMP cíclico. Ao fosforilar proteínas, a proteín quinase dependente de AMP cíclico altera a actividade proteíca. O papel do AMPc neste proceso remata coa hidrólise do AMP por unha fosfodiesterase.[4]

Nucleótido cíclico Proteínas de unión coñecidas Ruta/Asociación biolóxica
AMPc
  1. proteín quinase A (PKA)
  2. canles iónicas reguladas por nucleótido cíclico
  3. Epac
  4. proteína activadora por catabolito (CAP)
  1. relaxación do músculo liso[17]
  2. receptores foto/olfactorios[5]
  3. produción de glicagón nas células beta do páncreas[18]
  4. regulación do operón lac en Escherichia coli[19][20]
GMPc
  1. proteín quinase dependente de GMPc (PKG)
  2. canles iónicas reguladas por nucleótido cíclico
  1. relaxación do músculo liso[17]
  2. receptores foto/olfactorios[5]
CMPc
  1. GMPc quinase I
  2. proteín quinase A
  1. relaxación do músculo liso[15][21]

Os nucleótidos cíclicos están ben dotados para actuar como segundos mensaxeiros por varias razóns. A súa síntese é enerxeticamente favorable e derivan de compoñentes metabólicos comúns (ATP e GTP). Cando se degradan orixinando AMP/GMP e fosfato inorgánico, estes compoñentes non son tóxicos e quedan dispoñibles para a célula.[16] Finalmente, os nucleótidos cíclicos poden distinguirse dos non cíclicos porque estes últimos son menores e menos polares.[4]

Importancia biolóxica

A implicación dos nucleótidos cíclicos en funcións biolóxicas é variada, e a comprensión dos papeis que exercen cada vez é maior. Hai varios exemplos da súa influencia biolóxica. Están asociados coa menoria a curto e a longo prazo.[22] Tamén actúan no fígado para coordinar varios encimas que controlan o nivel de glicosa en sangue e o doutros nutrientes.[23] En bacterias, os nucleótidos cíclicos únense á proteína activadora por catabolito (CAP), que actúa incrementando a actividade metabólica encimática incrementando a velocidade de transcrición do ADN.[8] Tamén facilitan a relaxación das células do músculo liso en tecidos vasculares,[24] e activan as canles reguladas por nucleótido cíclico (CNG) nos fotorreceptores da retina e neuronas sensoriais ofactorias. Ademais, potencialmente activan as canles reguladas por nucleótido cíclico nos seguintes lugares: glándula pineal (sensibilidade á luz), neuronas sensoriais do órgano vomeronasal (que está implicado na detección de feromonas), células receptoras do gusto, sinalización celular no esperma, células do epitelio das vías aéreas respiratorias, liña celular neuronal secretora da hormona liberadora da gonadotropina (GnRH) e conduto colector medular interno renal.[5]

Mutacións nas rutas metabólicas e doenzas asociadas

Exemplos de alteracións nas rutas dos NMPc son: as mutacións nos xenes das canles reguladas por nucleótido cíclico están asociadas coa dexeneración da retina e coa cegueira ás cores,[5] e a sobreexpresión de adenilil ciclase soluble ou citosólica (sAC) foi ligada co carcinoma de próstata humano. A inhibición da sAC, ou o knockdown por transfección por interferencia de ARN (RNAi) impiden a proliferación das células do carcinoma prostático. A vía regulatoria parece formar parte da vía EPAC e non da vía PKA.[11]

As fosfodiesterases, reguladores principais da degradación dos NMPc, son con frecuencia dianas para fármacos terapéuticos. A cafeína é un inhibidor das PDE, mentres que fármacos usados para o tratamento da disfunción eréctil como o sildenafilo e o tadalafilo tamén actúan inhibindo a actividade das fosfodiesterases.[12]

Notas

  1. ↑ Seifert, R., Schneider, E. H., & Bähre, H. (2015). From canonical to non-canonical cyclic nucleotides as second messengers: pharmacological implications. Pharmacology & therapeutics, 148, 154–184. https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2014.12.002
  2. ↑ 2,0 2,1 Seifert R. (2015). cCMP and cUMP: emerging second messengers. Trends in biochemical sciences, 40(1), 8–15. https://doi.org/10.1016/j.tibs.2014.10.008
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 Beavo JA, Brunton LL (setembro de 2002). "Cyclic nucleotide research -- still expanding after half a century". Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 3 (9): 710–8. PMID 12209131. doi:10.1038/nrm911. 
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 Newton RP, Smith CJ (setembro de 2004). "Cyclic nucleotides". Phytochemistry 65 (17): 2423–37. PMID 15381406. doi:10.1016/j.phytochem.2004.07.026. 
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 Kaupp UB, Seifert R (xullo de 2002). "Cyclic nucleotide-gated ion channels". Physiol. Rev. 82 (3): 769–824. PMID 12087135. doi:10.1152/physrev.00008.2002. 
  6. ↑ Nelson, David; Michael Cox (2008). Lehninger Principles of Biochemistry (Fifth ed.). New York, NY: W.H. Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-7108-1. 
  7. ↑ "Nucleotide Numbering". Tulane University. Consultado o 9 de maio de 2013. 
  8. ↑ 8,0 8,1 Gomelsky, Mark (2011). "cAMP, c-di-GMP, c-di-AMP, and now cGMP: bacteria use them all!". Molecular Microbiology 79 (3): 562–565. PMC 3079424. PMID 21255104. doi:10.1111/j.1365-2958.2010.07514.x. 
  9. ↑ Lee HC, Aarhus R, Levitt D (1994). "The crystal structure of cyclic ADP-ribose". Nat. Struct. Biol. 1 (3): 143–4. PMID 7656029. doi:10.1038/nsb0394-143. 
  10. ↑ "National Library of Medicine - Medical Subject Headings, Adenylyl Cyclase". 
  11. ↑ 11,0 11,1 Flacke JP, Flacke H, Appukuttan A, et al. (febreiro de 2013). "Type 10 soluble adenylyl cyclase is overexpressed in prostate carcinoma and controls proliferation of prostate cancer cells". J. Biol. Chem. 288 (5): 3126–35. PMC 3561535. PMID 23255611. doi:10.1074/jbc.M112.403279. 
  12. ↑ 12,0 12,1 Bender AT, Beavo JA (setembro de 2006). "Cyclic nucleotide phosphodiesterases: molecular regulation to clinical use". Pharmacol. Rev. 58 (3): 488–520. PMID 16968949. doi:10.1124/pr.58.3.5. 
  13. ↑ Reinecke D, Schwede F, Genieser HG, Seifert R (2013). "Analysis of substrate specificity and kinetics of cyclic nucleotide phosphodiesterases with N'-methylanthraniloyl-substituted purine and pyrimidine 3',5'-cyclic nucleotides by fluorescence spectrometry". PLOS ONE 8 (1): e54158. PMC 3544816. PMID 23342095. doi:10.1371/journal.pone.0054158. 
  14. ↑ Rehmann H, Wittinghofer A, Bos JL (xaneiro de 2007). "Capturing cyclic nucleotides in action: snapshots from crystallographic studies". Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 8 (1): 63–73. PMID 17183361. doi:10.1038/nrm2082. 
  15. ↑ 15,0 15,1 Wolter S, Golombek M, Seifert R (decembro de 2011). "Differential activation of cAMP- and cGMP-dependent protein kinases by cyclic purine and pyrimidine nucleotides". Biochem. Biophys. Res. Commun. 415 (4): 563–6. PMID 22074826. doi:10.1016/j.bbrc.2011.10.093. 
  16. ↑ 16,0 16,1 Bridges, D; Fraser ME; Moorhead GB (2005). "Cyclic nucleotide binding proteins in the Arabidopsis thaliana and Oryza sativa genomes". BMC Bioinformatics 6: 6. PMC 545951. PMID 15644130. doi:10.1186/1471-2105-6-6. 
  17. ↑ 17,0 17,1 Eckly-Michel A, Martin V, Lugnier C (setembro de 1997). "Involvement of cyclic nucleotide-dependent protein kinases in cyclic AMP-mediated vasorelaxation". Br. J. Pharmacol. 122 (1): 158–64. PMC 1564898. PMID 9298542. doi:10.1038/sj.bjp.0701339. 
  18. ↑ Holz GG (xaneiro de 2004). "Epac: A new cAMP-binding protein in support of glucagon-like peptide-1 receptor-mediated signal transduction in the pancreatic beta-cell". Diabetes 53 (1): 5–13. PMC 3012130. PMID 14693691. doi:10.2337/diabetes.53.1.5. 
  19. ↑ Zhou Y, Zhang X, Ebright RH (xullo de 1993). "Identification of the activating region of catabolite gene activator protein (CAP): isolation and characterization of mutants of CAP specifically defective in transcription activation". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 90 (13): 6081–5. PMC 46871. PMID 8392187. doi:10.1073/pnas.90.13.6081. 
  20. ↑ Meiklejohn AL, Gralla JD (decembro de 1985). "Entry of RNA polymerase at the lac promoter". Cell 43 (3 Pt 2): 769–76. PMID 3907860. doi:10.1016/0092-8674(85)90250-8. 
  21. ↑ Desch M, Schinner E, Kees F, Hofmann F, Seifert R, Schlossmann J (setembro de 2010). "Cyclic cytidine 3',5'-monophosphate (cCMP) signals via cGMP kinase I". FEBS Lett. 584 (18): 3979–84. PMID 20691687. doi:10.1016/j.febslet.2010.07.059. 
  22. ↑ Beavo, Joseph; Sharron Francis; Miles Houslay (2010). Cyclic Nucleotide Phosphodiesterases in Health and Disease. Boca Raton, FL: CRC Press. p. 546. ISBN 9780849396687. 
  23. ↑ Sutherland, Earl; Robison GA; Butcher RW (1968). "Some aspects of the biological role of adenosine 3',5'-monophosphate (cyclic AMP)". Circulation 37 (2): 279–306. doi:10.1161/01.CIR.37.2.279. 
  24. ↑ Lincoln, TM; Cornwell TL (1991). "Towards an understanding of the mechanism of action of cyclic AMP and cyclic GMP in smooth muscle relaxation". Blood Vessels 28 (1–3): 129–37. PMID 1848122. doi:10.1159/000158852. 

Véxase tamén

Ligazóns externas