腺苷3':5'-单磷酸(cAMP)能够修饰所有真核细胞的细胞功能,主要通过激活cAMP依赖性蛋白激酶(PKA),也可以通过cAMP门控离子通道和cAMP直接激活的鸟嘌呤核苷酸交换因子进行调控。cAMP的细胞水平反映了腺苷酸环化酶(ATP:焦磷酸裂解酶,环化;EC 4.6.1.1)和cAMP磷酸二酯酶之间的活性平衡,其中腺苷酸环化酶可催化从5'-ATP形成cAMP,cAMP磷酸二酯酶可催化cAMP转化为5'-AMP。
腺苷酸环化酶在整个动物界都存在,并在细胞调节中发挥不同的作用。在细菌中,如百日咳博德特氏菌、炭疽芽孢杆菌、铜绿假单胞菌或鼠疫杆菌的腺苷酸环化酶,可以响应于营养物而受到调节,或者它可以构成哺乳动物中的毒性因子。
在哺乳动物中,腺苷酸环化酶家族是最重要的信号转导途径之一中的核心成分,并且包括至少十种同工酶。其可溶形式(X型)受HCO3–调节,而其他形式是与膜相结合的,并且通过异三聚体(αβγ)形式的刺激(Gαs)和抑制性(Gαi)鸟嘌呤核苷酸依赖性调节蛋白(G蛋白)连接的细胞表面受体在生理上受到调节。大多数同工酶被Gαs激活,但它们的调节因Gαi的作用和Gβγ的影响而不同。这些腺苷酸环化酶具有两个串连重复序列的拓扑结构,其包括6个跨膜区和~40kDa胞质区。两个胞质结构域(C1和C2)共享一个大的保守区域,其相互作用形成一个裂缝形式的催化活性位点。N-末端结构域是可变的并且起调节作用。Gαs通过与C2结构域的相互作用而活化,从而产生活性酶:GTP•αs •C。G蛋白的抑制通过Gαi与C1结构域的直接作用或通过βγ与Gαs的重组而发生。
许多生理学和生物化学的试剂改变了腺苷酸环化酶活性。这些包括通过对激素受体的作用间接作用于Gαs(例如霍乱毒素)或Gαi(例如百日咳毒素)的药剂,以及以同功酶选择性方式直接作用于酶的药剂。所有腺苷酸环化酶都能被氧化剂抑制并受到硫醇的保护。大多数同工酶受毛喉素刺激。但只有部分的同工酶能被Ca2+-钙调蛋白激活或被Ca2+ 离子调节。其他一些同工酶会受到一氧化氮(I型和VI型)或与myc相关的蛋白质的抑制,其中几种还受蛋白激酶A和C的调节。
由腺苷酸环化酶C1•C2结构域形成的裂缝能够结合底物和毛喉素。该活性位点与鸟苷酸环化酶有相同的拓扑结构和反应机制,其与寡核苷酸聚合酶具有相当大的同源性。其能够催化对NTPα-磷酸上的 3'-OH进行阳离子依赖性攻击,其中产生PPi作为离去基团。腺苷酸环化酶表现出可逆的双反应性顺序机制,其中游离二价阳离子和阳离子-5'-ATP为底物,cAMP、金属-PPi和游离二价阳离子为产物。
尽管能够间接激活或抑制腺苷酸环化酶的药剂通常用于治疗疾病,例如,β-肾上腺素能受体阻滞剂,但能够直接作用于酶的药物最近才开始被探究。其主要类别为毛喉素或腺嘌呤核苷的衍生物。底物类似物能够竞争性地抑制腺苷酰基环化酶,其中最有效的是β-L-2',3'-dd-5’-ATP(IC50~24 nM),以及未曾料到的MANT-5’-GTPγS。同时,其大多数还能够被腺嘌呤核苷3'-多磷酸盐抑制,其中最有效的是2',5'-dd-3’-ATP(IC50~40 nM)和2’,5’-dd-3’-A4P(IC50~7 nM)。后面提到的这些化合物属于历史上被称为P(嘌呤)-位点配体的一类抑制剂,它们通过非竞争性的、终端的、后过渡态的机制来实现抑制。除了细菌和精子之外,这些配体的抑制作用在所有同工酶中具有不同的灵敏度,并且它们提供了抑制该信号转导途径的精确方法。
腺苷酸环化酶的细胞可渗透抑制剂包括核苷及其衍生物和最近报道的前体核苷酸。前者在低微摩尔范围内有效,而前体核苷酸可用作前药,其IC50值在纳摩尔范围内。在多种研究中,包括在分离细胞和完整组织中,这些化合物已用于降低细胞cAMP水平并改变相关的功能。
脚注
对于该系列,脱保护率按所给定的顺序排列。
缩写:
Ado: 腺苷
2'-d-Ado:2'-脱氧腺苷
3'-d-Ado:3'-脱氧腺苷(虫草素)
5'-d-Ado:5'-脱氧腺苷
2',5'-dd-Ado:2',5'-双脱氧腺苷
2',3'-dd-Ado:2',3'-双脱氧腺苷
9-CP-Ade:9-(环戊基)-腺嘌呤
9-THF-Ade:9-(四氢呋喃基)-腺嘌呤(SQ22,536)
9-Ara-Ade:9-(阿拉伯呋喃糖基)-腺嘌呤
9-Xyl-Ade:9-(木呋喃糖基)-腺嘌呤
2'-d-3'-AMP:2'-脱氧腺苷3'-一磷酸
2'-d-3'-ADP:2'-脱氧腺苷3'-二磷酸
2'-d-3'-ATP:2'-脱氧腺苷3'-三磷酸
2',5'-dd-3'-AMP:2',5'-双脱氧腺苷3'-单磷酸
2',5'-dd-3'-ADP:2',5'-二脱氧腺苷-3'-二磷酸
2',5'-dd-3'-ATP:2',5'-双脱氧腺苷3'-三磷酸
2',5'-dd-3'-A4P:2',5'-双脱氧腺苷3'-四磷酸; 5'-APP(CH2)P,腺苷5' -(βγ -亚甲基)-三磷酸
βL-5'-ATP:β-L-腺苷5'-三磷酸;β-L-2',3'-dd-5'-ATP,β-L-2',3'-双脱氧腺苷5'-三磷酸
PMEA:9-(2-膦酰基甲氧基乙基)-腺嘌呤;PMEApp,9-(2-二磷酸基膦酰基甲氧基乙基)-腺嘌呤
MDL-12,330A:(顺式-N-(2-苯基环戊基)氮杂环内酯-1-烯-2-胺•盐酸; NKY80,2-氨基-7-(2-呋喃基)-7,8-二氢-5(6H)喹唑啉酮
2',5'-dd-3'-AMP-bis(Me-SATE):2',5'-dd-Ado-3' -(乙酰基-2-硫代乙基)- 磷酸酯; 2',5'-dd-3'-AMP-bis(t-Bu-SATE),2',5'-dd-Ado-3' -(新戊酰基-2-硫代乙基)-磷酸酯
2',5'-dd-3'-AMP-bis(Ph-SATE):2',5'-dd-Ado-3' -(苯基-2-硫代乙基)-磷酸酯; MANT-5'-GTPγS,3' -(2')- O-N-甲基氨基甲酰基 -鸟苷-5'[γ-硫代]三磷酸
MANT-5'-ITPγS:2',5'-dd-Ado-3' -(苯基-2-硫代乙基)-磷酸酯; MANT-5'-GTPγS,3' -(2')- O-N-甲基氨基甲酰基 -鸟苷-5'[γ-硫代]三磷酸
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