Myokinase

Myokinase (EC 2.7.4.3, auch bekannt als Adenylatkinase oder ADK) ist ein Phosphotransferase-Enzym, das die Umwandlung von Adeninnukleotiden katalysiert. ADK ist wichtig für die zelluläre Energiehomöostase, da es die Phosphatnukleotidspiegel innerhalb der Zelle ständig überwachen kann. Die Gleichgewichtskonstante ist je nach Bedingung variabel, liegt jedoch nahe bei 1. Daher ist ΔG^o für diese Reaktion nahezu null. In Muskeln verschiedener Arten von Wirbeltieren und wirbellosen Tieren ist die Konzentration von ATP (Adenosintriphosphat) typischerweise 7 bis 10 Mal höher als die von ADP (Adenosindiphosphat) und normalerweise 100 Mal größer als die von AMP (Adenosinmonophosphat). Die Verfügbarkeit von ADP steuert die Rate der oxidativen Phosphorylierung. Folglich versucht das Mitochondrium, hohe ATP-Spiegel aufrechtzuerhalten, was auf die kombinierte Wirkung von ADK und den Kontrollen der oxidativen Phosphorylierung zurückzuführen ist.

Struktur

Flexibilität und Plastizität ermöglichen es Proteinen, mit Liganden zu binden, um Oligomere zu bilden, zu aggregieren und mechanische Arbeit zu verrichten. Große konformationale Änderungen in Proteinen sind entscheidend für die zelluläre Signalübertragung. ADK ist ein signalübertragendes Protein, und daher könnte das Gleichgewicht zwischen den Konformationen die Proteinaktivität regulieren. ADK enthält einen lokal entfalteten Zustand, der beim Binden depopuliert wird.

Es wurde gezeigt, dass es drei relevante Konformationen oder Strukturen von ADK gibt - CORE, Offen und Geschlossen. Es gibt zwei kleine Domänen, die LID und NMP in ADK genannt werden. ATP bindet in der Tasche, die von den LID- und CORE-Domänen gebildet wird, und AMP bindet in der Tasche, die von den NMP- und CORE-Domänen gebildet wird. Die lokalisierten Regionen eines Proteins würden sich während konformationaler Übergänge entfalten, was die Spannung verringert und die katalytische Effizienz erhöht. Lokales Entfalten resultiert aus den konkurrierenden Spannungsenergien im Protein.

Abbildung 1. ADK-Enzymskelett im Cartoon

Isoenzyme

Bis jetzt wurden neun menschliche ADK-Proteinisoformen identifiziert, von denen einige im gesamten Körper verbreitet sind, während andere in spezifischen Geweben lokalisiert sind. Nicht nur die Standorte der verschiedenen Isoformen innerhalb der Zelle variieren, sondern auch die Bindung des Substrats an das Enzym und die Kinetik des Phosphoryltransfers sind unterschiedlich. Die subzelluläre Lokalisierung der ADK-Enzyme wird durch die Einbeziehung einer Zielsequenz in das Protein umgesetzt. Jede Isoform hat auch eine unterschiedliche Präferenz für Nukleosidtriphosphate (NTPs). ADK wurde auch in verschiedenen Bakterienarten und Hefen gefunden. Einige Reste sind über diese Isoformen hinweg konserviert, was auf ihre essentielle Rolle für die Katalyse hinweist. Eines der am stärksten konservierten Bereiche ist das Arg-Residuum, dessen Modifikation das Enzym inaktivieren könnte, zusammen mit einem Asp, das sich im katalytischen Spalt des Enzyms befindet und an einer Salzbrücke beteiligt ist.

Mechanismus

Der Phosphoryltransfer erfolgt nur beim Schließen des 'offenen Deckels', was zu einem Ausschluss von Wassermolekülen führt, um die Substrate einander näher zu bringen und somit die Energiebarriere für den nukleophilen Angriff der γ-Phosphorylgruppe von ATP auf die α-Phosphorylgruppe von AMP zu senken. In der Kristallstruktur des ADK-Enzyms aus E. coli mit dem Inhibitor Ap5A bindet das Arg88-Residuum an die Ap5A an der α-Phosphatgruppe. Die Mutation R88G hat gezeigt, dass sie zu einem Verlust von 99 % der katalytischen Aktivität dieses Enzyms führt, was die enge Beteiligung dieses Restes am Phosphoryltransfer demonstriert. Ein weiteres hochkonserviertes Residuum ist Arg119. Es befindet sich im Adenosinbindungsbereich des ADK und fungiert dazu, das Adenin im aktiven Zentrum einzuklemmen. Die Promiskuität dieser Enzyme bei der Akzeptanz anderer NTPs wird durch die relativ unbedeutenden Wechselwirkungen der Base in der ATP-Bindungstasche verursacht. Ein Netzwerk positiver, konservierter Reste (Lys13, Arg123, Arg156 und Arg167 im ADK aus E. coli) wird verwendet, um den Aufbau negativer Ladung auf der Phosphorylgruppe während des Transfers zu stabilisieren. Die Bindung von zwei distalen Aspartat-Resten an das Arginin-Netzwerk führt dazu, dass das Enzym sich faltet und seine Flexibilität verringert. Ein Magnesiumko-Faktor ist ebenfalls erforderlich, um die Elektrophilie des Phosphats auf AMP zu erhöhen, obwohl dieses Magnesiumion nur durch elektrostatische Wechselwirkungen in der aktiven Tasche gehalten wird und leicht dissoziiert.

Funktion

a. Metabolische Überwachung

Die Fähigkeit einer Zelle, energetische Niveaus dynamisch zu messen, erleichtert die Überwachung metabolischer Prozesse. ADK könnte den Energieverbrauch auf zellulärer Ebene regulieren, indem es kontinuierlich die Niveaus der Adenylphosphate überwacht und verändert. Wenn sich die Energieniveaus unter verschiedenen metabolischen Belastungen ändern, ist ADK dann in der Lage, AMP zu erzeugen, das als Signalmolekül in weiteren Signalkaskaden wirkt. Häufige Faktoren, die die Adeninnukleotidspiegel und damit die ADK-Aktivität beeinflussen können, sind Bewegung, Stress, Veränderungen der Hormonspiegel und Ernährung. ADK erleichtert das Decodieren zellulärer Informationen, indem es den Austausch von Nukleotiden in der intimen „Sensing-Zone“ der metabolischen Sensoren katalysiert.

b. ADK-Shuttle

ADK ist in mitochondrialen und myofibrillären Kompartimenten in der Zelle vorhanden und ermöglicht den Transfer von zwei hochenergetischen Phosphorylgruppen (β und γ) von ATP zwischen Adeninnukleotidmolekülen. Im Wesentlichen transportiert ADK ATP zu Stellen mit hohem Energieverbrauch und entfernt das erzeugte AMP im Verlauf dieser Reaktionen. Letztendlich könnten diese sequenziellen Phosphotransfer-Relais zu einer Ausbreitung der Phosphorylgruppen entlang von Sammlungen von ADK-Molekülen führen. Dieser Prozess kann als eine Eimerbrigade von ADK-Molekülen betrachtet werden, die zu Veränderungen im lokalen intrazellulären metabolischen Fluss führt, ohne offensichtliche globale Veränderungen in den Metabolitenkonzentrationen, was für die gesamte Homöostase der Zelle äußerst entscheidend ist.

Referenz