Nucleosídeo-difosfato quinase - Nucleoside-diphosphate kinase

Estrutura cristalina de NDPK em humanos, vista de frente e de lado, respectivamente: difração de raios-X, 2,2 Å

Nucleosídeo-difosfato quinases ( NDPKs , também NDP quinase , ( poli ) nucleotídeo quinases e nucleosídeo difosfoquinase s) são enzimas que catalisam a troca de fosfato terminal entre diferentes nucleosídeo difosfatos (NDP) e trifosfatos (NTP) de uma maneira reversível para produzir nucleotídeos trifosfatos . Muitos NDP servem como aceitadores, enquanto NTP são doadores do grupo fosfato. A reação geral por meio do mecanismo de pingue-pongue é a seguinte: XDP + YTP ← → XTP + YDP (X e Y cada um representa uma base nitrogenada diferente). As atividades NDPK mantêm um equilíbrio entre as concentrações de diferentes trifosfatos de nucleosídeos como, por exemplo, quando o trifosfato de guanosina (GTP) produzido no ciclo do ácido cítrico (Krebs) é convertido em trifosfato de adenosina (ATP). Outras atividades incluem proliferação, diferenciação e desenvolvimento celular, transdução de sinal , receptor acoplado à proteína G , endocitose e expressão gênica .

Estrutura

NDPK são proteínas homo hexaméricas constituídas por monômeros de aproximadamente 152 aminoácidos de comprimento com um peso teórico de 17,17 KDa. O complexo é encontrado nas mitocôndrias e no citoplasma solúvel das células.

Função

NDPK são encontrados em todas as células, exibindo pouca especificidade para os tipos de bases de nucleosídeos e são capazes de aceitar nucleotídeos e desoxirribonucleotídeos como substratos ou doadores. Portanto, NDPK é a fonte de precursores de RNA e DNA, exceto ATP. O NDPK utiliza a cinética enzimática específica para a reação de múltiplos substratos, ou seja, o mecanismo de pingue-pongue . Um mecanismo de pingue-pongue integra a fosforilação de um resíduo de histidina por meio da transferência do grupo fosfato terminal (γ-fosfato) de ATP para NDP β-fosfato para produzir um NTP, e NDPK catalisa tais reações reversíveis. O NTP fosforila uma histidina, que por sua vez fosforila o NDP. NDPK estão envolvidos na síntese de trifosfatos de nucleosídeo (NTP), como trifosfato de guanosina (GTP), trifosfato de citidina (CTP) e trifosfato de uridina (UTP), trifosfato de timidina (TTP).

Mecanismo de pingue-pongue utilizado pelo NDPK

Por trás dessa reação aparentemente simples está um mecanismo de várias etapas. As principais etapas da transfosforilação são as seguintes:

• NDPK se liga a um NTP1
• Um grupo fosforil de NTP1 é transferido para His no sítio ativo de NDPK
• O intermediário de fosfoenzima é formado
• NDP1 inicialmente ligado é liberado do NDPK trazendo um novo NDP2
• O grupo fosforil é transferido de NDPK-His para NDP2 ou dNDP2, criando um NTP2 ligado
• NDPK lança o novo NTP2

Cada etapa é parte de um processo reversível, de modo que o equilíbrio de várias etapas tem a seguinte forma.

NDPK + NTP ↔ NDPK ~ NTP ↔ NDPK-P ~ NDP ↔ NDPK-P + NDP

As funções do NDPK nesses NTPs diferem; geralmente, as quinases trazem NTPs para a síntese de ácido nucleico. O CTP é fornecido para a síntese de lipídios , o UTP para a síntese de polissacarídeos , enquanto o GTP é usado para o alongamento de proteínas e a transdução de sinal . Durante a transdução de sinal mediada por cAMP , NDPK é responsável pela fosforilação do GDP liberado de proteínas G ativadas a partir da ligação ao receptor; uma vez que o ATP doa um grupo fosfato por meio da atividade de NDPK, o GTP é ligado consecutivamente. A atividade aumentada de NDPK associada à membrana produz a síntese de cAMP. NDPK controla canais de K +, proteínas G, secreção celular, produção de energia celular e síntese de UTP.

Regulamento

Inibição por AMPK

NDPK geralmente consome ATP, o nucleotídeo celular mais abundante, e armazena os nucleotídeos. No entanto, o consumo de ATP definitivamente influenciaria o balanço de energia celular, que acarreta a regulação da proteína quinase ativada por AMP ( AMPK ). AMPK atua como o sensor de energia e regula as vias de ATP, girando ou não as vias de geração. Devido a essa atividade, a AMPK pode inibir diretamente a NDPK por meio da fosforilação . Para ser mais específico, o NDPK suporta a produção de nucleotídeos em estados celulares de alta energia e baixo estresse. No entanto, isso só pode acontecer quando a AMPK é inativada porque os estados celulares de baixo estresse do ATP desencadeiam a ativação da AMPK, que eventualmente diminui a atividade da NDPK por fosforilação dos resíduos de serina.

Sistemas procarióticos

Na maioria dos procariotos, a enzima NDPK é tetramérica . Foi relatado em vários patógenos. A função NDPK foi estudada em Escherichia coli , Bacillus subtilis , Salmonella typhimurium , Microccocus luteus e Myxococcus xanthus . NDPK procariota forma um homotetrâmero funcional . A atividade da nucleosídeo difosfato quinase envolve a transferência do γ-fosfato do nucleosídeo trifosfato (NTP) para o nucleosídeo difosfato (NDP), onde N1 e N2 podem ser ribo- ou desoxirribonucleosídeos. Isso é feito por meio de um intermediário de fosfo-histidina de alta energia. Além do envolvimento na síntese de nucleotídeos de pirimidina , a NDPK procariótica também está envolvida em vários ciclos de metabolismo. Também foi descoberto que NDPK atua como uma proteína histidina quinase , que envolve uma fosforilação reversível de histidina como um sinal regulador bem conhecido. Porém, na maioria dos procariotos , os níveis de expressão de NDPK estão envolvidos no crescimento, desenvolvimento e diferenciação celular do organismo, principalmente bactérias .

NDPK é a enzima que desencadeia a desfosforilação de GTP em GDP no ciclo ppGpp.

(p) metabolismo ppGpp

No ciclo de biossíntese (p) ppGpp, NDPK desempenha um papel importante. Quando há ausência de um tRNA carregado no local A de um ribossomo , o ribossomo vai parar e disparar a síntese da molécula de pentafosfato de guanosina ((p) ppGpp). (p) A biossíntese de ppGpp é uma parte da via do metabolismo das purinas e coordena uma série de atividades celulares em resposta às abundâncias nutricionais. A síntese de (p) ppGpp é desencadeada pela privação de carbono, ou a falta de carbono no ambiente da célula, e faz com que a proteína SpoT seja ativada. SpoT funciona em conjunto com NDPK e ambos servem como enzimas essenciais no ciclo de biossíntese (p) ppGpp. NDPK sintetiza a formação de GDP a partir de GTP via desfosforilação.

Função do gene Nm23

Embora o mecanismo biomolecular pelo qual o gene Nm23 atua nas células seja atualmente desconhecido, como na maioria dos procariotos, os níveis de expressão da nucleosídeo difosfato quinase (NDPK) determinam o crescimento e a diferenciação celular. Normalmente, o gene Nm23 (NME) está envolvido na supressão de metástases em humanos. Em procariotos, o gene Nm23 está envolvido no desenvolvimento e diferenciação celular normal. Homólogos altamente conservados do gene Nm23 foram encontrados em procariotos, mais especificamente, Myxococcus xanthus , uma bactéria gram negativa do solo. Homólogos de Nm23 em M. xanthus foram fechados e caracterizados como uma nucleosídeo difosfato quinase (gene ndk) e parecem ser essenciais para o crescimento de M. xanthus . Durante o desenvolvimento de M. xanthus , a atividade da nucleosídeo difosfato quinase também demonstrou diminuir drasticamente.

Sistemas eucarióticos

Existem pelo menos quatro isoformas enzimaticamente ativas de NDPK em humanos: NDPK-A, NDPK-B, NDPK-C e NDPK-D. Todas as quatro isoformas têm estruturas muito semelhantes e podem combinar-se em qualquer forma para se tornarem hexâmeros NDPK funcionais. Sugere-se que NDPK participe da sinalização transmembrana em células eucarióticas.

Em humanos

Em sistemas eucarióticos, o papel do NDK é sintetizar trifosfatos de nucleosídeos diferentes de ATP. O ATP gama fosfato é transferido para o NDP beta fosfato por meio de um mecanismo de pingue-pongue, usando um intermediário de sítio ativo fosforilado, e sintetiza produtos como o UTP. NDK possui nucleosídeo-difosfato quinase, proteína quinase específica de serina / treonina, geranil e farnesil pirofosfato quinase, proteína quinase histidina e atividades de exonuclease 3'-5 '. Seus processos estão envolvidos com a proliferação, diferenciação e desenvolvimento celular e expressão gênica em células humanas. Também faz parte do processo de desenvolvimento neural, que inclui padronização neural e determinação do destino celular. Além disso, a NDPK está envolvida nos processos de transdução de sinal e na endocitose do receptor acoplado à proteína G, uma vez que transfere um grupo fosfato para as subunidades G β e converte GDP em GTP. Este aumento na concentração de GTP próximo às subunidades α da proteína G causa a ativação das subunidades α da proteína G para a sinalização da proteína G. Além da sinalização, o NDPK está envolvido no controle dos canais de K +, secreção celular e produção de energia celular.

Nas plantas

As reações bioquímicas catalisadas pela NDP quinase em plantas são análogas às atividades descritas em humanos, pois a atividade de autofosforilação ocorre a partir de ATP e GTP. Além disso, as plantas têm quatro tipos de isoformas NDPK. A NDPK citosólica tipo I está envolvida no metabolismo, crescimento e respostas ao estresse nas plantas. O NDPK tipo II está concentrado no cloroplasto e acredita-se que esteja envolvido no processo de fotossíntese e no controle do estresse oxidativo, mas sua função ainda não é conhecida claramente. O NDPK do tipo III tem como alvo tanto a mitocôndria quanto o cloroplasto, e está principalmente envolvido no metabolismo energético. A localização e função exata do NDPK tipo IV ainda não é bem conhecida e precisa de mais investigações. Além disso, a NDPK está associada à sinalização da proteína quinase mitogênica mediada por H2O2 em plantas.

Doenças relacionadas a NDPK

Dez genes parálogos codificam as proteínas NDPKs, que são separadas em dois grupos. O primeiro grupo codifica proteínas com funções NDPK. Os outros genes do grupo codificam outras proteínas que exibem baixa ou nenhuma atividade NDPK. No primeiro grupo, um dos genes denominado NM23 foi identificado como a primeira proteína supressora de metástase e seu gene Nm23 foi menos ativado nas células metastáticas. Em um experimento diferente, Nm23 humano foi cultivado com células cancerosas e mostrou inibição de metástases. O nível de proteína NM23 foi inversamente proporcional ao potencial metastático para tumores sólidos humanos. No entanto, outros tipos de tumor, como câncer de ovário, neuroblastoma e malignidades hematológicas exibiram níveis de NM23 regulados positivamente em amostras de pacientes. Portanto, compreender a base biológica da família de genes Nm23 é necessário para se ter um conhecimento sólido de seus diversos resultados.

Doença cardiovascular

Nme2, um dos genes NDPK, foi associado a funções cardiovasculares . O gene Nme2 é conhecido por formar um complexo com a subunidade beta da proteína G heterotrimétrica nas células do coração e regula a contratilidade do coração. Existem duas funções do Nme2 que permitem tal regulação; uma é a atividade da histidina quinase, que é a fosforilação dos canais para regular o que passa e a outra é uma função de andaime da formação de caveolae . A depleção da interação Nme2 / caveolina exibiu uma diminuição da taxa de contratilidade cardíaca. Além disso, mais estudos com peixes-zebra revelaram que o esgotamento de NDPK tem um efeito prejudicial sobre o funcionamento do coração.

Nme1 e Nme2 como um supressor de metástase

Houve muito debate sobre se o gene NM23 é responsável por suprimir ou ativar a metástase. Os dois lados contraditórios sobre este assunto permaneceram ambíguos e indefinidos ao longo do curso dos estudos do NDPK. No entanto, experimentos recentes começaram a mostrar evidências de que o NM23 é um supressor de metástases. O Nme2 foi marcado como um gene anti-metástase, usando a tecnologia de chip de tecido e imunohistoquímica . Quando os produtos do gene Nme2 foram superproduzidos em células cancerosas gástricas, houve uma diminuição na proliferação, migração e invasão dessas células cancerosas. As culturas de células revelaram que o Nme2 afeta as células do câncer gástrico, mas a questão ainda permanece sobre o que regula as atividades do Nme2 entre os vários tipos de câncer. Nme1 foi encontrado em grande número em sub-linhas pouco metastáticas de células de melanoma . Além disso, a transfecção de Nme1 em uma linha de melanoma altamente metastático reduziu significativamente a metástase. Essa teoria também foi testada com ratos; os camundongos deficientes em Nme1 formaram metástases pulmonares maiores do que os camundongos do tipo selvagem, mostrando que esse gene tem atividade supressora. A invasão do câncer ocorre devido a alterações na adesão celular e é causada por alterações na expressão gênica na transição epitelial-mesenquimal (EMT). Surpreendentemente, existem muitas moléculas de adesão, fatores de motilidade , vias de sinalização, eventos proteolíticos , marcas EMT e outros programas de transcrição que foram associados às proteínas Nme1. Essas proteínas interrompem a metástase ligando-se a proteínas promotoras de metástase. As proteínas Nme1 ligam-se a proteínas virais, oncogenes e outros fatores promotores de metástases. A ligação pode ser indireta usando o complexo de sinalização.

Veja também

• Nucleosídeo
• Nucleotide
• Monofosfato de nucleosídeo
• Nucleosídeo trifosfato
• Timidina quinase
• Timidilato quinase
• Timidina quinase em química clínica
• Sintase de timidilato

Referências

links externos

• Nucleosídeo-difosfato + quinase na Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA. Cabeçalhos de assuntos médicos (MeSH)
• EC 2.7.4.6