Estrutura cristalina da NDPK en humanos, vistas desde a parte frontal e lateral, respectivamente: difracción de raios X, 2,2 Å

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).

Mecanismo ping-pong utilizado pola NDPK
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 regulatorio. Porén, na maioría dos procariotas, os niveis de expresión da NDPK están implicados no crecemento celular e desenvolvemento do organismo.

A NDPK é o encima que desencadea a desfosforilación do GTP a GDP no ciclo do ppGpp. 
### 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 metbolismo, 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 H  
2O  
2 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 metástasess. 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

Houbo moito debate sobre se o xene de NM23 é responsable da supresión da actividade metastática. As dúas posicións enfrontadas non puideron ofrecer resultados claros nos estudos realizados sobre a NDPK. Porén, experimentos recentes empezan a mostrar probas de que o NM23 é un supresor das metástases. O Nme2 foi etiquetado como xene antimetástases, usando a tecnoloxía de chips de tecidos e a inmunohistoquímica. Cando os produtos do xene Nme2 eran sobreproducidos en células de cancro gástrico, había unha diminución da proliferación, migración e invasión de ditas células canceríxenas. Os cultivos celulares revelaron que o Nme2 afecta as células de cancro gástrico, pero aínda non se resolveu a cuestión sobre que regula as actividades de Nme2 entre diversos tipos de cancro. Atopouse o Nme1 en gran número en subliñas pouco metastáticas de células de melanoma. Ademais, a transfeción de Nme1 en liñas de melanoma moi metastáticas reduce significativamente as metástases. Esta teoría foi comprobada tamén en ratos; os ratos deficientes en Nme1 formaban maiores metástases pulmonares que os ratos de tipo salvaxe, mostrando que este xene ten unha actividade supresora. A invasión do cancro ocorre debido a cambios na adhesión celular e está causada por cambios na expresión xénica na transición epitelial-mesenquimal. Sorprendentemente, hai moitas moléculas de adhesión celular, factores de motilidade, vías de sinalización, eventos proteolíticos, marcas distintivas da transición epitelial-mesenquimal, e outros programas transcricionais que foron asociados coas proteínas Nme1. Estas proteínas interrompen a metástase ao unirse a proteínas que promoven a metástase. As proteínas Nme1 únense a proteínas virais, oncoxenes e outros factores promotoes da metástase. A unión pode ser indirecta usando o complexo de sinalización.

Notas
-----

1. ↑  Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L (2002). *Biochemistry - 5ª*. WH Freeman and Company. pp. 476. ISBN 978-0-7167-4684-3.
2. ↑  "PDB 1jxv structure summary ‹ Protein Data Bank in Europe (PDBe) ‹ EMBL-EBI". *www.ebi.ac.uk*. Consultado o 2 de novembro de 2015.
3. 1 2 3  "Nucleoside diphosphate kinase (IPR001564)". *InterPro*. Consultado o 15 de outubro de 2015.
4. ↑  Dumas C, Lascu I, Moréra S, Glaser P, Fourme R, Wallet V, Lacombe ML, Véron M, Janin J (setembro de 1992). "X-ray structure of nucleoside diphosphate kinase". *The EMBO Journal* **11** (9): 3203–8. PMC 556853. PMID 1324167. doi:10.1002/j.1460-2075.1992.tb05397.x.
5. ↑  "NME1 - Nucleoside diphosphate kinase A - Homo sapiens (Human) - NME1 gene & protein". *www.uniprot.org*. Consultado o 17 de novembro de 2015.
6. ↑  Salway, J.G (2017). *Metabolism at a Glance, 4th edition*. UK: Wiley Blackwell. p. 110. ISBN 9781119277781.
7. ↑  Lutz S, Mura R, Baltus D, Movsesian M, Kübler W, Niroomand F (xaneiro de 2001). "Increased activity of membrane-associated nucleoside diphosphate kinase and inhibition of cAMP synthesis in failing human myocardium". *Cardiovascular Research* **49** (1): 48–55. PMID 11121795. doi:10.1016/S0008-6363(00)00222-4.
8. ↑  Onyenwoke RU, Forsberg LJ, Liu L, Williams T, Alzate O, Brenman JE (xaneiro de 2012). "AMPK directly inhibits NDPK through a phosphoserine switch to maintain cellular homeostasis". *Molecular Biology of the Cell* **23** (2): 381–9. PMC 3258181. PMID 22114351. doi:10.1091/mbc.E11-08-0699.
9. ↑  Stadtman, Earl R.; Chock, P. Boon (2014-06-28). *From Metabolite, to Metabolism, to Metabolon: Current Topics in Cellular Regulation*. Elsevier. ISBN 9781483217321.
10. ↑  Attwood PV, Wieland T (febreiro de 2015). "Nucleoside diphosphate kinase as protein histidine kinase". *Naunyn-Schmiedeberg's Archives of Pharmacology* **388** (2): 153–60. PMID 24961462. doi:10.1007/s00210-014-1003-3.
11. ↑  "spoT - Bifunctional (p)ppGpp synthase/hydrolase SpoT - Escherichia coli (strain K12) - spoT gene & protein". *www.uniprot.org*. Consultado o 17 de novembro de 2015.
12. ↑  Lengeler, J.; Drews, G.; Schlegel, H. (10 de xullo de 2009). *Biology of the Prokaryotes*. John Wiley & Sons. ISBN 9781444313307.
13. ↑  de la Rosa A, Williams RL, Steeg PS (xaneiro de 1995). "Nm23/nucleoside diphosphate kinase: toward a structural and biochemical understanding of its biological functions". *BioEssays* **17** (1): 53–62. PMID 7702594. doi:10.1002/bies.950170111.
14. ↑  Otero AS (xuño de 2000). "NM23/nucleoside diphosphate kinase and signal transduction". *Journal of Bioenergetics and Biomembranes* **32** (3): 269–75. PMID 11768310. doi:10.1023/A:1005589029959.
15. ↑  Engelhardt S, Rochais F (abril de 2007). "G proteins: more than transducers of receptor-generated signals?". *Circulation Research* **100** (8): 1109–11. PMID 17463326. doi:10.1161/01.RES.0000266971.15127.e8.
16. 1 2 3 4  Dorion S, Rivoal J (febreiro de 2015). "Clues to the functions of plant NDPK isoforms". *Naunyn-Schmiedeberg's Archives of Pharmacology* **388** (2): 119–32. PMID 24964975. doi:10.1007/s00210-014-1009-x.
17. ↑  Moon H, Lee B, Choi G, Shin D, Prasad DT, Lee O, Kwak SS, Kim DH, Nam J, Bahk J, Hong JC, Lee SY, Cho MJ, Lim CO, Yun DJ (xaneiro de 2003). "NDP kinase 2 interacts with two oxidative stress-activated MAPKs to regulate cellular redox state and enhances multiple stress tolerance in transgenic plants" (PDF). *Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America* **100** (1): 358–63. PMC 140977. PMID 12506203. doi:10.1073/pnas.252641899.
18. ↑  Hsu T, Steeg PS, Zollo M, Wieland T (febreiro de 2015). "Progress on Nme (NDP kinase/Nm23/Awd) gene family-related functions derived from animal model systems: studies on development, cardiovascular disease, and cancer metastasis exemplified". *Naunyn-Schmiedeberg's Archives of Pharmacology* **388** (2): 109–17. PMID 25585611. doi:10.1007/s00210-014-1079-9.
19. ↑  Mehta A, Orchard S (setembro de 2009). "Nucleoside diphosphate kinase (NDPK, NM23, AWD): recent regulatory advances in endocytosis, metastasis, psoriasis, insulin release, fetal erythroid lineage and heart failure; translational medicine exemplified". *Molecular and Cellular Biochemistry* **329** (1–2): 3–15. PMC 2721137. PMID 19415463. doi:10.1007/s11010-009-0114-5.
20. 1 2  Liu YF, Yang A, Liu W, Wang C, Wang M, Zhang L, Wang D, Dong JF, Li M (2015-01-01). "NME2 reduces proliferation, migration and invasion of gastric cancer cells to limit metastasis". *PLOS One* **10** (2): e0115968. PMC 4336288. PMID 25700270. doi:10.1371/journal.pone.0115968.

Véxase tamén
------------

### Outros artigos

* Nucleósido
* Nucleótido
* Nucleósido monofosfato
* Nucleósido difosfato
* Nucleósido trifosfato

### Ligazóns externas

* Nucleoside-Diphosphate Kinase *Medical Subject Headings* (MeSH) na Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA.
* EC 2.7.4.6

|  |  |
| --- | --- |
| Control de autoridades | 
* Wd: Q3346048
* MAG: 151903565

 |

|  |  |
| --- | --- |
| Identificadores | 
* EC: 2.7.4.6
* MeSH: D009701
* MeSH: D08.811.913.696.650.550

 |