miniatura|Estrutura cristalina da NDPK en humanos, vistas desde a parte frontal e lateral, respectivamente: difracción de raios X, 2,2 Å|350x350px
As nucleósido-difosfato quinases (NDPKs, tamén NDP quinase, (poli)nucleótido quinases e nucleósido difosfoquinases) son encimas que se encontran en procariotas e eucariotas e que catalizan o intercambio de fosfatos terminais entre diferentes nucleósidos difosfato (NDP) e trifosfato (NTP) de maneira reversible para producir nucleósidos trifosfato. Moitos NDP funcionan como aceptores mentres que os NTP son doantes de grupos fosfato. A reacción xeral por medio dun mecanismo ping-pong é a seguinte: XDP + YTP ←→ XTP + YDP (X e Y representan diferentes bases nitroxenadas). As actividades das NDPK manteñen un equilibrio entre as concentracións de diferentes nucleósidos trifosfato como, por exemplo, cando o guanosín trifosfato (GTP) producido no ciclo do ácido cítrico (de Krebs) é convertido en adenosín trifosfato (ATP). Outras actividades son a proliferación celular, diferenciación e desenvolvemento, a transdución de sinais, receptor acoplado á proteína G, endocitose e expresión xénica.
Estrutura
As NDPK son proteínas homohexámeras constituídas por monómeros de aproximadamente 152 aminoácidos cun peso teórico de 17,17 KDa. O complexo encóntrase nas mitocondrias e no citoplasma soluble das células.
Función
As NDPK encóntranse en todas as células, e non mostran moita especificidade cara aos distintos tipos de bases dos nucleósidos e poden aceptar nucleósidos e desoxirribonucleósidos como substratos ou doantes. Por tanto, a NDPK é a fonte das unidades precursoras do ARN e ADN, con excepción do ATP. A NDPK utiliza unha cinética encimática específica para catalizar reaccións multisubstrato, concretamente o chamado mecanismo ping-pong. Un mecanismo ping-pong integra a fosforilación dun residuo de histidina ao transferir un grupo fosfato terminal (fosfato γ) desde o ATP ao fosfato β dun NDP para producir un NTP, e a NDPK é a encargada de realizar esas reaccións reversibles. Co fosfato do NTP fosforílase unha histidina, coa cal á súa vez fosforílase o NDP. As NDPK están implicadas na síntese de nucleósidos trifosfato (NTP), como o guanosín trifosfato (GTP), citidín trifosfato (CTP) e uridín trifosfato (UTP) e timidín trifosfato (TTP). miniatura|Mecanismo ping-pong utilizado pola NDPK|420x420px Tras esta reacción aparentemente simple hai un mecanismo de múltiples pasos. Os pasos clave da transfosforilación son os seguintes: A NDPK únese ao NTP1. Un grupo fosforil do NTP1 transfírese á His no sitio activo da NDPK. Fórmase un intermediario fosfoencima. O NDP1 inicialmente unido é liberado da NDPK e entra un novo NDP2. O grupo fosforil transfírese desde a NDPK-His ao NDP2 ou dNDP2, creando un NTP2 unido. A NDPK libera o novo NTP2.
Cada paso forma parte dun proceso reversible, de tal maneira que o equilibrio multipasos é da seguinte forma:
NDPK + NTP ↔ NDPK~NTP ↔ NDPK-P~NDP ↔ NDPK-P + NDP A función exercida pola NDPK sobre estes NTP difire; xeralmente, as quinases introducen NTPs para a síntese de ácidos nucleicos. Proporcionan CTP para a síntese de lípidos, UTP para a síntese de polisacáridos e GTP para usalo na elongación de proteínas e a transdución de sinais. Durante a transdución de sinais mediada por AMP cíclico (AMPc), a NDPK é responsable da fosforilación do GDP liberado das proteínas G activadas pola unión ao receptor; unha vez que o ATP doa un grupo fosfato grazas á actividade da NDPK, únese o GTP consecutivamente. O incremento da actividade das NDPK asociadas a membrana orixina a síntese de AMPc. A NDPK controla as canles de K+, as proteínas G, a secreción celular, a produción de enerxía e a síntese de UTP.
Regulación
Inhibición pola AMPK
A NDPK xeralmente consome ATP, o nucleósido trifosfato máis abundante das células. Porén, o consumo de ATP inflúe claramente no balance enerxético da célula, o cal produce a regulación da proteína quinase activada por AMP (AMPK). A AMPK actúa como sensor de enerxía e regula as rutas do ATP ao activar ou non as rutas xeradoras de ATP. Debido a esta actividade, a AMPK podería inhibir directamente a NDPK por medio da súa fosforilación. En concreto, da NDPK depende a produción de nucleótidos de alta enerxía e estados de baixo estrés celular. Porén, isto pode só ocorrer cando a AMPK é inactivada porque os estados de baixo estrés celular de ATP desencadean a activación da AMPK, o cal finalmente fai diminuír a actividade da NDPK pola fosforilación de residuos de serina.
Sistemas procariotas
Na maioría dos procariotas o encima NDPK é tetrámero. Informouse da súa presenza en varios patóxenos. A función da NDPK estudouse en Escherichia coli, Bacillus subtilis, Salmonella typhimurium, Microccocus luteus e Myxococcus xanthus. A NDPK procariota forma un homotetrámero funcional. A actividade da dinucleósido-difosfato quinase consiste en transferir o fosfato γ do nucleósido trifosfato (NTP) a un nucleósido difosfato (NDP), onde os nucleósidos poden ser ribo- ou deoxirribonucleósidos. Isto faise por medio dun intermediario fosfohistidina de alta enerxía. Ademais da súa intervención na síntese de nucleósidos pirimidínicos, a NDPK procariota está tamén implicada en varios ciclos metabólicos. A NDPK tamén actúa como unha proteína histidina quinase, que realiza unha fosforilación reversible de histidina como sinal regulador. Porén, na maioría dos procariotas, os niveis de expresión da NDPK están implicados no crecemento celular e desenvolvemento do organismo. miniatura|A NDPK é o encima que desencadea a desfosforilación do GTP a GDP no ciclo do ppGpp. |320x320px
Metabolismo do (p)ppGpp
No ciclo biosintético do (p)ppGpp, a NDPK exerce un importante labor. Cando non hai un ARNt cargado no sitio A do ribosoma, o ribosoma queda detido e isto desencadea a síntese de guanosín pentafosfato ((p)ppGpp). A biosíntese de (p)ppGpp forma parte da ruta do metabolismo das purinas e coordina unha serie de actividades celulares en resposta á abundancia nutricional. A síntese de (p)ppGpp dá comezo pola falta de carbono na célula ou no ambiente da célula, e causa a activación da proteína SpoT. SpoT funciona en conxunción coa NDPK e ambas son encimas esenciais no ciclo biosintético do (p)ppGpp. A NDPK sintetiza a formación de GDP a partir de GTP por desfosforilación.
Función do xene Nm23
Aínda que se descoñece polo momento o mecanismo biomolecular polo cal funciona o xene Nm23 nas células, sábese que o xene existe en mamíferos e noutros organismos como bacterias ou a mosca Drosophila. O xene intervén no crecemento celular e diferenciación. Está implicado na supresión da metástase en mamíferos. Atopáronse homólogos moi conservados do xene Nm23 en procariotas como Myxococcus xanthus, unha bacteria gramnegativa do solo. Os homólogos de Nm23 en M. xanthus foron caracterizados como unha nucleósido difosfato quinase (xene ndk) que parece ser esencial para o crecemento de M. xanthus. Durante o desenvolvemento de M. xanthus, observouse que a actividade da nucleósido difosfato quinase decrece drasticamente.
Sistemas eucariotas Existen polo menos catro isoformas encimaticamente activas da NDPK en humanos: NDPK-A, NDPK-B, NDPK-C e NDPK-D. As catro isoformas teñen estruturas moi similares e poden combinarse de todas as formas para orixinar os hexámeros de NDPK funcionais. Suxeriuse que a NDPK participa na sinalización transmembrana en células eucariotas.
En humanos En sistemas eucariotas o papel da NDK é sintetizar nucleósidos trifosfato distintos do ATP. O fosfato gamma do ATP transfírese ao fosfato beta do NDP utilizando un mecanismo ping-pong, formando un intermediario fosforilado no sitio activo, e sintetizando produtos como o UTP entre outros. A NDK posúe actividades de nucleósido-difosfato quinase, proteína quinase específica de serina/treonina, xeranil e farnesil pirofosfato quinase, histidina proteína quinase, e 3'-5' exonuclease. Estes procesos están implicados na proliferación celular, [`diferenciación celular|diferenciación]], desenvolvemento e expresión xénica en células humanas. Tamén intervén en procesos do desenvolvemento neural, como o establecemento dos padróns neurais e a determinación do destino das células. Ademais, a NDPK está implicada nos procesos de transdución de sinais e a endocitose do receptor acoplado á proteína G, xa que transfire un grupo fosfato nas subunidades β da proteína G e converte o GDP en GTP. Este incremento na concentración de GTP preto das subunidades α da proteína G causa a activación de ditas subunidades para a sinalización por medio da proteína G. Ademais da sinalización, a NDPK controla as canles de K+, a secreción celular e a produción de enerxía.
En plantas
As reaccións bioquímicas catalizadas pola NDP quinase en plantas son análogas ás actividades descritas en humanos pola actividade de autofosforilación que ten lugar a partir de ATP e GTP. Ademais disto as plantas teñen catro tipos de isoformas da NDPK. O tipo I citosólico da NDPK actúa no metabolismo, crecemento e respostas ao estrés en plantas. A NDPK de tipo II está concentrada no cloroplasto e crese que intervén no proceso fotosintético e na xestión do estrés oxidativo, pero a súa función non está aínda clara. A NDPK de tipo III actúa sobre a mitocondria e o cloroplasto e está principalmente implicada no metabolismo enerxético. A localización e función exacta da NDPK de tipo IV non se coñece aínda ben e necesita máis investigación. Ademais, a NDPK está asociada coa sinalización por proteína quinase activada por mitóxeno mediada por en plantas.
Doenzas relacionadas coa NDPK
Hai dez xenes parálogos codifican proteínas NDPK, e están separados en dous grupos. O primeiro grupo codifica proteínas con funcións de NDPK. O outro grupo de xenes codifica outras proteínas que mostran unha actividade baixa ou ausente de NDPK. No primeiro grupo, unha proteína chamada NM23 foi identificado como a primeira proteína supresora de metástases e a seu xene Nm23 está menos activo nas células metastáticas. Noutro experimento, o Nm23 humano foi cultivado con células canceríxenas e mostrou tamén inhibición de metástases. O nivel da proteína NM23 era inversamente proporcional ao potencial metastático de tumores sólidos humanos. Porén, outros tipos de tumores como os cancros de ovario, neuroblastomas e malignidades hematolóxicas mostraron ter niveis de NM23 regulados á alza nas mostras tomadas de pacientes. Por tanto, é necesaria a comprensión das bases biolóxicas da familia do xene Nm23 para chegar a coñecer ben o significado destes diversos resultados.
Enfermidades cardiovasculares
O Nme2, un dos xenes NDPK, foi asociado con funcións cardiovasculares. O produto do xene Nme2 sábese que forma un complexo coa subunidade beta da proteína G heterotrimérica nas células cardíacas e regula a contractilidade do corazón. Dúas funcións de Nme2 permiten esta regulación; unha é a actividade histidina quinase, que é a fosforilación de canles celulares para regular o que os atravesa e a outra é unha función de armazón na formación de caveolas. A depleción da interacción Nme2/caveolina orixinaba unha diminución da contractilidade cardíaca. Ademais, outros estudos feitos no peixe cebra revelaron que a depleción da NDPK tiña un efecto prexudicial sobre o funcionamento do corazón.
Nme1 e Nme2 como supresores da metástase