Adenylacja i AMP-ylacja
Adenylacja, znana również jako AMP-ylacja, to proces, w którym reszta AMP jest kowalencyjnie przyłączana do bocznego łańcucha białka, co prowadzi do zmiany jego funkcji. Przyłączenie ma miejsce do grupy hydroksylowej i stanowi modyfikację posttranslacyjną, która jest zarówno stabilna, jak i odwracalna. Adenylacja polega na utworzeniu wiązania fosfodiestrowego, które zachodzi pomiędzy grupą hydroksylową adenylowanej cząsteczki a grupą fosforanową nukleotydu. Proces ten może dotyczyć reszt tyrozylowych, a enzym katalizujący tę reakcję nazywany jest adenylatorem.
Funkcje
Podobnie jak w przypadku fosforylacji reszt serylowych, treonylowych i tyrozylowych, adenylacja reguluje aktywność wybranych białek, na przykład syntetazy glutaminowej. Dzięki temu procesowi możliwe jest tworzenie pochodnych kwasów karboksylowych, które w warunkach organizmu nie mogą powstawać bezpośrednio. W wyniku adenylacji kwasów karboksylowych, w której uczestniczy ATP, powstają reaktywne produkty przejściowe – mieszane bezwodniki karboksylowo-fosforanowe oraz amidofosforany. Związki te następnie spontanicznie reagują z nukleofilami (przy wydzielaniu AMP), prowadząc do powstania produktów docelowych.
Stopień adenylacji syntetazy glutaminowej jest uzależniony od stosunku stężeń glutaminy do α-ketoglutaranu. Wraz ze wzrostem stężenia glutaminy, więcej cząsteczek ulega adenylacji, co prowadzi do obniżenia aktywności enzymu. Z kolei spadek stężenia glutaminy skutkuje mniejszym stopniem adenylacji i zwiększoną aktywnością syntetazy. Wysoki stosunek stężeń wskazuje na odpowiednie zapasy komórkowego azotu, natomiast niski sygnalizuje ograniczone zasoby i potrzebę wiązania amoniaku przez syntetazę glutaminową.
Adenylatory (AMP-ylatory)
Termin adenylatory odnosi się do enzymów, które katalizują proces adenylacji. Podobnie jak kinazy białkowe, przenoszą one fragment cząsteczki ATP na białka substratowe, tworząc na grupie hydroksylowej wiązanie fosforanoestrowe. W przeciwieństwie do kinaz, które przyłączają jedynie grupę fosforanową z ATP, adenylatory przyłączają grupę fosforanową połączoną z resztą adenozyny (resztą AMP):
[Białko]−OH + ℗−℗−℗A _kinaza_͕ [Białko]−O−℗ + ℗−℗A
[Białko]−OH + ℗−℗−℗A _adenylator_͕ [Białko]−O−℗−A + ℗−℗
gdzie ℗−℗−℗A to ATP.
Udowodniono, że adenylowana grupa hydroksylowa może należeć do reszty treoniny lub tyrozyny, a także istnieją przypuszczenia, że może ona dotyczyć reszty seryny. Do roku 2010 zidentyfikowano cztery takie enzymy, a wszystkie z nich występują jedynie u bakterii. Biorą one udział w mechanizmach patogeniczności oraz regulacji metabolizmu bakterii. Zawierają dwa rodzaje domen: domeny Fic oraz domeny transferazy adenylowej.
Domeny Fic są częścią nadrodziny białkowej Fido i wykazują ewolucyjny konserwatyzm. Do tej pory zidentyfikowano domeny Fic w około 2000 białek bakteryjnych oraz jedynie w 59 białkach eukariotycznych Fic. Białka z aktywnością adenylazy wykazano w badaniach in vitro u eukariontów, gdzie uczestniczą w procesie autoadenylacji. Przykładem mogą być ludzkie białko HYPE oraz CG9523 muszki owocowej. Natomiast domeny z aktywnością transferazy adenylowej są częścią większej rodziny białkowej transferaz nukleotydowych.
Patogeniczność
Często celem działania enzymów adenylacyjnych są GTPazy. Rodziny GTPaz, takie jak Rho, Rab i Arf, biorą udział w dynamice budowy cytoszkieletu aktyny, kontrolują transport pęcherzykowy oraz odgrywają rolę w komórkowych mechanizmach kontrolnych. Białka te są kluczowe dla procesu fagocytozy, w wyniku której patogen jest wchłaniany do wnętrza komórki. Inhibicja fagocytozy może prowadzić do braku internalizacji bakterii.
Vibrio parahaemolyticus (VopS) to bakteria Gram-ujemna, która może wywoływać zatrucie pokarmowe. VopS posiada domenę Fic z charakterystyczną sekwencją aminokwasową HPFx[D/E]GN[G/K]R, która jest ewolucyjnie konserwatywna i wspólna dla rodziny białkowej doc. W tej sekwencji kluczową rolę odgrywa jedna z reszt histydylowych – w przypadku białek Fic wykazuje ona aktywność adenylacyjną, natomiast w białkach doc pełni funkcje cytotoksyczne. Nie zaobserwowano, aby białka rodziny doc miały aktywność katalityczną w procesie adenylacji. VopS blokuje tworzenie aktyny poprzez modyfikację reszt treonylowych w regionie przełącznikowym 1 GTPazy Rho. Przeniesienie AMP (za pomocą ATP) na resztę treoninową tworzy przeszkodę przestrzenną, która uniemożliwia interakcję GTPazy Rho z kolejnymi efektorami. W rezultacie komórka gospodarza nie jest w stanie kontrolować swojego cytoszkieletu, co prowadzi do utraty kształtu, uniemożliwiającej jej normalne funkcjonowanie. Obserwuje się to jako zaokrąglenie komórki.
Regulacja
GS-ATaza (GlnE), po raz pierwszy opisana u pałeczki okrężnicy, pełni funkcje regulacyjne. Jej sekwencja również wykazuje ewolucyjny konserwatyzm. Enzym ten działa jako adenylator, katalizując zarówno adenylację, jak i deadenylację syntetazy glutaminowej poprzez zerwanie wiązania kowalencyjnego pomiędzy resztą AMP a grupą hydroksylową białka. GS-ATaza posiada dwie domeny z aktywnością transferazy adenylowej, które są zaangażowane w przyłączanie i usuwanie reszty AMP z syntetazy glutaminowej. Domena odpowiedzialna za adenylację znajduje się na końcu C, natomiast domena deadenylacji na końcu N. Aktywność katalityczna jest związana z sekwencją G-X11-D-X-D, w której reszta kwasu asparaginowego wiąże jon magnezu za pomocą wiązania koordynacyjnego. Enzym ten jest regulowany przez białko PII, którego aktywność jest uzależniona od stosunku stężeń glutaminy (powstającej dzięki syntetazie glutaminowej) i α-ketoglutaranu w komórce.