Nucleótido cíclico

miniatura|Adenosín monofosfato cíclico. A porción cíclica está formada 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.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.2014.12.002Seifert 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

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. 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. 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.

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 inorgánico cando se inactivaba o encima fosforilase do fígado; pero cando é activado, incorpora un fosfato. O “factor activo” que producían as hormonas foi purificado finalmente 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.

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. 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).

Química dos NMPc

Estrutura

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

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.

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. 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.

Síntese e degradacion

miniatura|Reacción de biosíntese de nucleótidos cíclicos por acción dunha ciclase. Os nucleótidos cíclicos prodúcense pola reacción xenérica NTP → NMPc + PPi, 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. 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. miniatura|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 reguladoras. Algunhas fosfodiesterases son específicas de NMPc, mentres que outras poden hidrolizar de xeito non específico. 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.

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. 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 a actividade da proteína. Hai tamén datos que apoian un efecto de unión sinérxica entre múltiples nucleótidos cíclicos, no que o CMPc rebaixa a concentración efectiva (EC50) do AMPc para a activación da proteín quinase A (PKA).

Bioloxía Os nucleótidos cíclicos son unha parte integral dun sistema de comunicación que actúa dentro das células. 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, incluíndo o acoplamento receptor-efector, a regulación á baixa da capacidade de resposta de drogas, cadoiros de proteín quinases e transdución de sinais transmembrana.

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 proteica. O papel do AMPc neste proceso remata coa hidrólise do AMP por unha fosfodiesterase.

Nucleótido cíclico Proteínas de unión coñecidas Ruta/Asociación biolóxica AMPc proteín quinase A (PKA) canles iónicas reguladas por nucleótido cíclico Epac proteína activadora por catabolito (CAP) relaxación do músculo liso receptores foto/olfactorios produción de glicagón nas células beta do páncreas regulación do operón lac en Escherichia coli GMPc proteín quinase dependente de GMPc (PKG) canles iónicas reguladas por nucleótido cíclico relaxación do músculo liso receptores foto/olfactorios CMPc GMPc quinase I proteín quinase A relaxación do músculo liso

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. Finalmente, os nucleótidos cíclicos poden distinguirse dos non cíclicos porque estes últimos son menores e menos polares.

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 memoria a curto e a longo prazo. Tamén actúan no fígado para coordinar varios encimas que controlan o nivel de glicosa en sangue e o doutros nutrientes. 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. Tamén facilitan a relaxación das células do músculo liso en tecidos vasculares, e activan as canles reguladas por nucleótido cíclico (CNG) nos fotorreceptores da retina e neuronas sensoriais olfactivas. 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.

Mutacións nas rutas metabólicas e doenzas asociadas