Cyklický nukleotid

Cyklický nukleotid (cNMP) je monofosfátový nukleotid (nukleozidmonofosfát), ktorý má cyklické usporiadanie väzieb medzi sacharidom a fosfátovou skupinou. Podobne ako ostatné nukleotidy sú cyklické nukleotidy zložené z troch častí: sacharidu, dusíkatej bázy a zvyškov kyseliny fosforečnej (fosfátu, zvyčajne jedného). Ako vidieť u cyklického adenozínmonofosfátu (cAMP) a cyklického guanozínmonofosfátu (cGMP), názov „cyklický“ označuje dve väzby medzi fosfátovou skupinou a 3' a 5' hydroxylovými skupinami sacharidu (zvyčajne ribózy).
Biologický význam cyklických nukleotidov spočíva v celej škále interakcií proteín-ligand. cNMP boli v eukaryotických bunkách identifikované ako druhí poslovia v signalizácii hormónov i iónových kanálov. V prokaryotických bunkách boli identifikované ako alosterické efektory bielkovín, ktoré viažu DNA. cAMP a cGMP sú aktuálne najlepšie zdokumentované cNMP, ale existujú i náznaky, že aj cyklický cytozínmonofosfát (cCMP) sa účastí bunkovej signalizácie eukaryotických buniek. Úloha cyklického uridínmonofosfátu (cUMP) je ešte menej preskúmaná.
Objav cyklických nukleotidov významne prispel k porozumeniu mechanizmov kináz a fosfatáz ako i všeobecnej regulácie proteínov. Napriek tomu, že prešlo 50 rokov od ich pôvodného objavu, záujem o tcNMP a ich biochemický či fyziologický význam neupadol.
História.
Pochopenie konceptu druhých poslov a konkrétne úloha cyklických nukleotidov a ich schopnosť predať fyziologické signály bunke má svoj pôvod vo výskume glykogénu Carlom a Gerty Coriovými, za čo dostali Nobelovu cenu za fyziológiu alebo medicínu v roku 1947. V 50. rokoch 20. storočia potom prebehlo niekoľko postupných ale dôležitých objavov, ktoré posunuli ich výskum, zameraných hlavne na aktivitu glykogénfosforylázy v psej pečeni. Glykogénfosforyláza katalyzuje prvý krok glykogenolýzy, procesu, v ktorom sa glykogén rozkladá na glukózové podjednotky. Earl Sutherland skúmal účinok hormónov adrenalínu a glukagónu na aktivitu glykogénfosforylázy, za čo dostal Nobelovu cenu za fyziológiu alebo medicínu v roku 1971.
V roku 1956 zistili Edwin Krebs a Edmond Fischer, že na premenu glykogénfosforylázy "b" na glykogénfosforylázu "a" je potrebný adenozíntrifosfát (ATP). Počas skúmania účinku adrenalínu na glykogenolýzu v priebehu nasledujúceho roka poznamenali Sutherland a Walter Wosilait, že pri inaktivácii tohto pečeňového enzýmu sa uvoľňujúe anorganický fosfát, ale pri aktivácii sa fosfát zabudováva. „Aktívny faktor“, ktorý hormóny produkovali, bol konečne purifikovaný v roku 1958 a bolo zistené, že obsahuje ribózu, fosfát a adenín v pomere 1:1:1. Neskôr bolo dokázané, že tento faktor sa po inaktivácii premieňa na 5'-AMP.
V roku 1985 zistili Evgeny Fesenko, Stanislav Kolesnikov a Arkady Lyubarsky, že cyklický guanozínmonofosfát (cGMP) môže v tyčinkách spustiť odpoveď na svetlo. Neskôr popísali Tadashi Nakamura a Geoffrey Gold úlohu cNMP v ligandom riadených iónových kanáloch v chemosenzitívnych cíliách v čuchových neurónoch. V roku 1992 odhalili Lawrence Haynes a King-Wai Yau úlohu cNMP v iónových kanáloch riadených cyklickými nukleotidmi závislých na svetle v čapíkoch. Na konci dekády bol pochopený význam dvoch intramembránových receptorov: Rs (ktoré stimulujú cyklázy) a Ri (ktoré inhibujú cyklázy). Wei-Jen Tang a James Hurley v roku 1998 popísali adenylylcyklázu, ktorá syntetizuje cAMP, ktorá je regulovaná nielen hormónmi a neurotransmitermi, ale aj fosforyláciou, vápnikom, forskolínom a G-proteínmi (proteínmi viažucimi guanozíntrifosfát (GTP)).
Štruktúra.
Najlepšie preštudované cyklické nukloetidy sú cyklický adenozínmonofosfát (cAMP) a cyklický guanozínmonofosfát (cGMP). Menej preštudované sú cyklický cytozínmonofosfát (cCMP) a cyklický uridínmonofosfát (cUMP). 
Každý cyklický nukleotid sa skladá z troch častí. Obsahuje dusíkatú bázu, napríklad adenín v cAMP a guanín v cGMP. Báza je naviazaná na sacharid, konkrétne ribózu s piatimi atómami uhlíka. Poslednou zložkou je fosfát, teda zvyšok kyseliny fosforečnej. Tieto tri zložky sú spojené tak, že dusíkatá báza je naviazaná na 1' uhlík ribózy a fosfátová skupina je naviazaná na 5' uhlík ribózy. Takto je to u všetkých nukleotidov, ale v cyklických nukleotidoch má fosfátová skupina ešte druhú väzbu na 3' uhlík ribózy. Keďže fosfátová skupina má dve väzby na ribózu, tvorí tak ďalší cyklus.
Na určenie atómov uhlíkov a dusíkov sa používa číselné označenie atómov. V pentóze je uhlík najbližšie ku kabonylovej skupine označený ako C1. Ak je na pentózu naviazaná báza, číslovanie atómov pentózy sa označuje apostrofom ('), čím sa rozlišujú od atómov dusíkatej bázy (ktoré sa číslujú bez apostrofu). Väzba C-N medzi ribózou a bázou je teda v prípade cAMP medzi N9 bázy a C1' pentózy.
V prípade cAMP teda jeho celý názov, 3’,5’-cyklický adenozínmonofosfát, naznačuje, že obsahuje jednu fosfátovú skupinu, ktorá tvorí kruh s ribózou na uhlíkoch 3' a 5'. Okrem toho sa ribóza viaže na bázu na uhlíku 1', ako je uvedené vyššie, ale tak je to u všetkých nukleotidov, takže táto skutočnosť sa nezapisuje.
Cyklické 2',3'-monofosfáty.
Okrem cyklických 3’,5’-monofosfátov (cAMP, cGMP, cCMP a cUMP) sú známe i cyklické 2',3'-monofosfáty, ale ich úloha je menej jasná.
Ostatné cyklické nukleotidy.
Okrem uvedených cNMP existujú aj cyklické dinukleotidy, ktoré sú zložené z dvoch nukleotidov. Tieto nukleotidy majú navzájom spojené ribózové podjednotky dvoma fosfátovými skupinami. Patria medzi ne napríklad cyklický diguanozínmonofosfát (c-di-GMP) a cyklický guanozínmonofosfát-adenozínmonofosfát (cGAMP). Takisto možno spomenúť cyklickú ADP-ribózu (cADPR), ktorá obsahuje dve fosfátové skupiny a dve ribózy, ktoré su naviazané na jeden adenín do jedného veľkého cyklu.
Biochémia.
Cyklické nukleotidy sa nachádzajú v prokaryotických aj eukaryotických bunkách. Vnútrobunková hladina cNMP je udržiavaná radom enzymatických reakcií, ktoré zahŕňajú niekoľko rodín bielkovín. U vyšších cicavcov sú cNMP prítomné v mnohých druhoch tkaniva.
Syntéze a rozklad.
Cyklické nukleotidy vznikajú všeobecnou reakciou:
Táto reakcia je katalyzovaná konkrétnymi nukleotidylcyklázami, napríklad tvorba cAMP je katalyzovaná adenylylcyklázou a za tvorbu cGMP je zodpovedná guanylylcykláza. Adenylylcykláza je známa v transmembránovej i cytozolovej podobe, čo predstavuje rôzne druhy bielkovín a rôzne zdroje cAMP.
cAMP i cGMP sa rozkladajú hydrolýzou 3' fosfodiesterovej väzby, čím vzniká príslušný 5'-NMP. Rozklad je katalyzovaný hlavne enzýmami známymi ako fosfodiesterázy (PDE). V cicavčích bunkách je známych 11 rodín PDE, pričom sú exprimované rôzne izoformy každého proteínu v závislosti na regulačných potrebách bunky. Niektoré PDE sú špecifické pre konkrétne cNMP, niektoré sú nešpecifické. Degradačné dráhy cAMP a cGMP sú omnoho lepšie pochopené než dráhy cCMP a cUMP. Aktuálne nie sú presne popísané PDE špecifické pre cCMP a cUMP. 
Viazanie na bielkoviny.
Cyklické nukleotidy boli nájdené v mnohých druhoch eukaryotických buniek, vrátane fotoreceptorových tyčiniek a čapíkov, hladkom svalstve a bunkách pečene. Bunková koncentrácia cNMP môže byť veľmi nízka, rádovo 10-7 M, pretože ich metabolizmus a funkcia sú často lokalizované v konkrétnej časti bunky. Vo všetkých proteínoch, ktoré viažu cNMP, je vysoko konzervovaná doména viažuca cycklické nukleotidy bez ohľadu na ich biologickú funkciu. Táto doména pozostáva z beta sandwichu s väzbovým miestom pre cyklický nukleotid medzi beta listami. Naviazanie cNMP spôsobuje konformačné zmeny, ktoré ovplyvňujú aktivitu bielkovín. Takisto existujú dáta, ktoré podporujú synergistické väzbové efekty viacerých cNMP, kde napr. cCMP znižuje efektívnu koncentráciu (EC50) cAMP nutnú pre aktiváciu proteínkinázy A (PKA).
Biologický význam.
Cyklické nukleotidy sú intergálnou časťou komunikačného systému v bunkách. Fungujú ako druhí poslovia a presúvajú signály mnohých prvých poslov, ako sú hormóny a neurotransmitery, na ich fyziologické miesto pôsobenia. Cyklické nukleotidy sa účastnia mnohých fyziologických odpovedí, vrátane proteínkinázových kaskád, transmembránového presunu signálu, down-regulácie odpovede na lieky a viazania receptor-efektor.
Cyklické nukleotidy pôsobia ako druhí poslovia, keď sa prvý poslovia, ktorý nemôžu vstúpiť do bunky, viažu na receptory v bunkovej membráne. Receptory menia konformáciu a prenášajú signál, ktorý aktivuje enzým v bunkovej membráne, zvyčajne adenylylcaklázu. Tým vzniká cAMP, ktorý sa prenáša dovnútra bunky, kde stimuluje proteínkinázy známe ako cAMP-dependentné proteínkinázy. Fosforyláciou proteínou tieto kinázy ovyplvňujú proteínovú aktivitu. Úloha cAMP je v tomto procese ukončená jeho hydrolýzou na AMP pôsobením fosfodiesterázy.
Cyklické nukleotidy sú vhodné ako druhí poslovia z niekoľkých dôvodov. Ich syntéza je energeticky výhodná a vznikajú z bežných metabolických látok (ATP a GTP). Keď sa rozkladajú na AMP/GMP a anorganický fosfát, tieto látky sú netoxické. Zároveň je cNMP možné odlíšiť od NMP, pretože sú menšie a menej polárne.
Biologická funkcia.
Účinok cyklických nukelotidov na biologické funkcie je rôznorodý, i keď pochopenie ich úlohy postupne pokračuje. Existuje niekoľko príkladov ich biologického vyplvu. Sú spájané s dlhodobou a krátkodobou pamäťou. Takisto sú dôležité v pečeni, kde ovplyvňujú rôzne enzýmy na udržiavanie hladiny glukózy v krvi a ostatných živín. V baktériách sa viažu na katabolitový aktivátorový proteín (CAP), ktorého úlohou je zvýšiť metabolickú enzymatickú aktivitu pomocou zvýšenia transkripcie DNA. Takisto sprostredkovávajú uvoľnenie hladkého svalstva v cievnom tkanive a aktivujú CNG kanály (cNMP-riadené iónové kanály) v sietnicových fotoreceptoroch a čuchových neurónoch. 
Okrem toho potenciálne aktivujú CNG kanály v: 
Mutácie dráh a súvisiace poruchy.
Medzi príklady porúch dráh cNMP patria mutácie génov CNG kanálov, ktoré sú spojené s degeneráciou sietnice a s farbosleposťou, a príliš vysoká expresia cytozolovej adenylylcyklázy (sAC), ktorá je spojená s ľudským karcinómom prostaty. Bolo ukázané, že inhibícia sAC alebo knockdown pomocou RNA interferencie (RNAi) pomocou transfekcie zastavuje proliferáciu buniek karcinómu prostaty. Regulačné dráhy sú zjavne súčasťou EPAC dráhy a nie PKA dráhy.
Fosfodiesterázy (PDE), hlavné regulátory rozkladu cNMP, sú často cieľom rôznych liečiv. Kofeín je známy inhibítor PDE a lieky, ktoré sa používajú na liečbu erektilnej dysfunkcie, ako sú sildenafil a tadalafil, takisto inhibujú aktivitu PDE.