# Adenylylcyclasen

Adenylylcyclasen (AC), früher Adenylatcyclasen genannt, zählen zu den molekülspaltenden Enzyme, zur Klasse der Lyasen. Bei höheren Organismen sind sie wichtige Vermittler zwischen (primären) Botenstoffen, zum Beispiel verschiedenen Hormonen, die an der Außenseite der Zellmembran binden, und zellinternen (sekundären) Botenstoffen (englisch second messenger), die innerhalb der Zelle die Wirkung dieser Hormone veranlassen.
Bei der Signaltransduktion bindet beispielsweise ein Hormonmolekül an einen passenden G-Protein-gekoppelten Rezeptor. Dieser koppelt an ein entsprechendes G-Protein, das darauf zerfällt und so eine Untereinheit freigibt, die ihrerseits eine Adenylylcyclase aktiviert. Diese bildet dann im Zellinnenraum den sekundären Botenstoff cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) aus Adenosintriphosphat (ATP) durch Ringschluss.
Adenylylcyclasen kommen in nahezu allen Lebewesen vor. Beim Menschen sind von ihr derzeit zehn, überwiegend an die Zellmembran gebundene Isoenzyme bekannt.

## Vorkommen

Adenylylcyclasen sind in der belebten Natur weit verbreitet. Bereits einfache einzellige eukaryotische Lebewesen wie Paramecium, Euglena und Dictyostelium sowie einige Prokaryoten nutzen Adenylylcyclasen zur Umwandlung von ATP in cAMP. Darüber hinaus nutzen einige prokaryotische Krankheitserreger die Funktion der Adenylylcyclasen oder des cAMPs höherer Lebewesen, indem sie selbst Adenylylcyclasen oder Aktivatoren von Adenylylcyclasen bilden und freisetzen. So wird beispielsweise die Invasivität des Cholera-Erregers Vibrio cholerae auf das indirekt Adenylylcyclasen aktivierende Choleratoxin zurückgeführt. Die freigesetzten Adenylylcyclasen von Bordetella pertussis und Bacillus anthracis, welche erst im Körper des Wirtsorganismus aktiviert werden, sind Bestandteil von deren toxischem Prinzip.

## Einteilung

Die Adenylylcyclasen gehören zur Gruppe der Lyasen. Klassisch werden die Adenylylcyclasen in drei Hauptklassen unterteilt. Die Klasse I umfasst die Adenylylcyclasen gramnegativer Bakterien. Adenylylcyclasen der Klasse II spielen als toxischen Proteine prokaryotischer Krankheitserreger eine Rolle sind vom Protein Calmodulin des Wirtsorganismus abhängig. Zahlenmäßig am größten sind die Adenylylcyclasen der Klasse III. Sie umfasst alle eukaryotischen Adenylylcyclasen sowie zahlreiche prokaryotische Enzyme. Seltener werden weitere drei Klassen (IV–VI) von Adenylylcyclasen erwähnt.
Die Adenylylcyclasen des Menschen umfassen 10 verschiedene Isoenzyme und werden als AC$_1$ bis AC$_{10}$ (oder AC I bis AC X) bezeichnet. Die Isoenzyme AC$_1$ bis AC$_9$ sind membranständige Proteine. Das auch als lösliche Adenylylcyclase (sAC, von soluble adenylyl cyclase) bezeichnete Isoenzym AC$_{10}$ ist ein cytosolisches Protein, das überwiegend in speziellen Zellkompartimenten lokalisiert vorkommt. Darüber hinaus unterscheiden sich die Isoenzyme der Adenylylcyclasen in ihren Regulationsmechanismen.

## Struktur

Die in der belebten Natur vorkommenden Adenylylcyclasen haben unterschiedliche Baupläne. Allen gemeinsam ist eine für die Cyclase-Funktion essenzielle homologe Proteindomäne. Die membranständigen Adenylylcyclasen mehrzelliger Tiere (Metazoa) bestehen aus je zwei Transmembrandomänen mit je sechs α-Helices (M$_1$ und M$_2$) und zwei cytosolischen Cyclase-Homologie-Domänen (C$_1$ und C$_2$). Die beiden etwa 40 kDa großen Domänen lassen sich weiter in katalytische (C$_{1a}$ und C$_{2a}$) und regulatorische Subdomänen unterteilen (C$_{1b}$ und C$_{2b}$). Die katalytischen Subdomänen weisen ein hohes Maß an Homologie auf.
Die dreidimensionale Struktur der katalytischen Subdomänen verschiedener tierischer Adenylylcyclasen konnte mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse aufgeklärt werden. Mit Hilfe dieser Technik konnte für die katalytischen Subdomänen eine aus einem βαββαβ-Motiv bestehende Struktur, welche beispielsweise auch bei einigen DNA-Polymerasen vorkommt, bestätigt werden. Beide katalytische Domänen interagieren miteinander unter Bildung einer funktionellen Einheit. An der Kontaktseite beider Untereinheiten besitzt die gebildete C$_{1a}$-C$_{2a}$-Einheit eine Furche mit einer Bindungsstelle für das Substrat ATP. Ebenfalls in dieser Furche ist eine weitere Bindungsstelle für den Aktivator Forskolin, einem Diterpen aus dem Harfenstrauch Plectranthus barbatus, enthalten. Die Bindungsstelle für die stimulierenden G-Proteine G$_s$ und G$_{olf}$ umfasst einen kleinen Anteil des N-Terminus der C$_{1a}$-Subdomäne und einen größeren Anteil der C$_{2a}$-Subdomäne. Darüber hinaus wird eine weitere Bindungsstelle an der regulatorischen C$_{1b}$-Subdomäne vermutet. Die postulierte Bindungsstelle für inhibitorische G-Proteine (G$_{i/o}$-Familie) an der C$_{1a}$-Subdomäne ist von der Bindungsstelle stimulierender G-Proteine verschieden.

## Funktion
### Katalyse der cAMP-Produktion

Die Adenylylcyclase katalysiert die Bildung von cAMP aus ATP unter Abspaltung von Pyrophosphat. Je nach Isoenzym werden von einem Molekül Adenylylcyclase zwischen einem und 100 Substratmolekülen pro Sekunde umgesetzt. Die jeweiligen Michaeliskonstanten K$_m$, welche der Substratkonzentration bei halbmaximaler Umsatzgeschwindigkeit entsprechen, betragen zwischen 30 und 400 µM.
Bei Vertebraten und Invertebraten (z. B. Aplysia) hat cAMP die Funktion eines Second Messengers. Das Enzym ist also ein Bestandteil der Signalkaskade zur Weiterleitung von Signalen innerhalb von Zellen. Es ist auch oft verbunden mit einer Stimulierung der Transmitterfreisetzung und der Signalweiterleitung, mit einer Steigerung der Herzfrequenz und einer Relaxation glatter Muskulatur. Die Adenylylcyclase ist somit für die Weiterleitung von Reizen, sowie für die Wirkung zahlreicher Hormone (beispielsweise Glucagon und Adrenalin) und Neurotransmitter (beispielsweise Serotonin) verantwortlich.

### Regulation

Im menschlichen Organismus wird die Aktivität der Adenylylcyclasen physiologisch insbesondere von den bei der Signaltransduktion beteiligten G-Proteinen reguliert. Stimulierende G-Proteine der Familie G$_{s/olf}$ begünstigen eine geschlossene Konformation der dimeren katalytischen Einheit der Adenylylcyclase und aktivieren somit deren Enzymfunktion. Inhibitorische G$_{i/o}$-Proteine führen über eine Stabilisierung der offenen Konformation zu einer Hemmung der Adenylylcyclasefunktion. Einige Isoenzyme der Adenylylcyclase (AC$_1$, AC$_3$ und AC$_8$) werden zusätzlich durch Calcium/Calmodulin reguliert.
Darüber hinaus können die Adenylylcyclasen pharmakologisch reguliert werden. Das Diterpen Forskolin ist ein nichtselektiver Aktivator der Adenylylcyclasen, der alle menschlichen Adenylylcyclasen mit Ausnahme der AC$_9$ aktiviert. Die Entdeckung, dass Adenosin nichtselektiv alle Adenylylcyclasen hemmt, führte zu Entwicklung zahlreicher Nukleosid- und Nukleotid-Analoga. Sie führen zumeist als sogenannte P-Site-Inhibitoren der Adenylylcyclasen zu einer nicht- oder unkompetitiven Hemmung, die auf verschiedenen Mechanismen beruht. Für ihre inhibitorische Wirkung benötigen die Nukleosid-Analoga, wie beispielsweise 2′-Desoxyadenosin, zelleigenes Pyrophosphat als Co-Inhibitor. Ihre inhibitorische Potenz wird von den Pyrophosphat-unabhängigen Nukleotid-Analoga, wie beispielsweise 2′,5′-Didesoxyadenosin-3′-tetraphosphat, 2′,5′-Didesoxyadenosin-3′-triphosphat, übertroffen. Darüber hinaus können die Adenylylcyclasen kompetitiv von nukleotidischen Substratanaloga, wie beispielsweise β-L-2′,3′-Didesoxy-5′-Adenosintriphosphat, durch Verdrängung des Substrats ATP gehemmt werden.