La PDE3 es una fosfodiesterasa. A este grupo de proteínas pertenecen al menos once familias genéticas relaccionadas entre si que difieren en su estructura primaria, afinidad por el substrato, respuestas a su efector y mecanismos de regulación.
La Mayor parte de las familias de fosfodiesterasas están comprendidas en más de un gen. La PDE3 es clínicamente significativa por su papel en la regulación del músculo cardíaco, músculo liso vascular y agregación plaquetaria y se han desarrollado inhibidores de la PDE3 como fármacos, pero su uso está limitado porque provoca arritmias y puede aumentar la mortalidad en algunos usos terapéuticos.
Conocimientos adicionales recomendados
Estructura
Las PDEs de mamífero comparten una organización estructural común y contienen tres dominios funcionales que incluyen el núcleo catalítico, un extremo N-termina regulador y el extremo C-terminal. El núcleo catalítico está bastante más conservado que en otras familias, con un 80% de identidad en las secuencias de aminoácidos. Se cree que el núcleo contiene elementos estructurales comunes que son importantes para la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster del AMPc y [[GMPc].] También se piensa que contienen determinantes específicos de la familia para las diferencias en la afinidad por los substratos y sensibilidad por los inhibidores.[1]
El dominio catalítico de la PDE3 se caracteriza por ser una secuencia de 44 aminoácidos que es única para la familia de la PDE3 y es un factor importante cuando se desea encontrar un inhibidor que sea potente y selectivo.[1]
La estructura de difracción de rayos x de los dominios catalíticos de varias PDE's incluida la PDE 3B muestran que contienen tres subdominios en hélice:
- zona N-terminal plegada de ciclina
- Región o dominio conector
- Dominio C-terminal en hélice[2] [3]
En el interfaz de estos dominios de forma un profundo "bolsillo" o receptáculo hidrofóbico debido a residuos altamente conservados entre todas las PDE's. Este "bolsillo" es el centro activo y está compuesto por cuatro sustituyentes:
- Zona de unión para metales (sitio M)
- Núcleo o Core del pocket (Q pocket)
- Parte hidrofóbica del pocket(H pocket)
- Región periférica o Lid(L region)[2] [3]
El sito M está al fondo del receptáculo de unión o "binding pocket" y contiene dos (divalentente) lugares de unión a metales. Los iones metálicos que se pueden unir a ese sitio son el zinc o el magnesio. El sitio de unión al zinc tiene dos residuos de histidina y dos de aspartato que están absolutamente conservados entre las PDEs que se han estudiado hasta la fecha.[2] [3]
Las porciones N-terminal de las PDEs son ampliamente divergentes y contienen determinantes que están asociados con las propiedades reguladoras que sen específicas de las diferentes familias de genes. Para la PDE3 esos determinantes son los dominios hidrofóbicos asociados a la membrana y los sitios de fosforilación de la proteín-quinasa dependientes de AMPc.[1]
Afinidad por el sustrato
Al principio se purificó la PDE3 y se describió como una enzima que hidrolizaba tanto GMPc como AMPc con valores de Km entre 0.1 – 0.8 µM. No obstante, la Vmax para la hidrólisis del AMPc es de 4 a 10 veces mayor que la Vmax para la hidrólisis de GMPc.[1]
Cuando se identificaron otras PDEs diferentes por primera vez, se aislaron dos tipos con gran afinidad para el AMPc, (PDE3 y PDE4). La PDE3 muestra gran afinidad por los dos substratos mencionados, mientras que PDE4 solo tiene alta afinidad para el AMPc. Por esa razón el PDE3 se llamó "PDE inhibida por GMPc" para distinguirla de la PDE4.[1]
Se cree que el inserto de 44 aminoácidos en el dominio catalítico de la PDE3 está implicado en la interacción enzima-substrato y con los inhibidores, pero este hecho aún debe ser establecido.[1]
El mecanismo molecular propuesto para la especificidad del nucleótido cíclico a la PDE es el de la "conmutación de la glutamina
En las PDEs en las que se ha podido resolver su estructura parece que existe una residuo invariante de glutamina que establece la unión del anillo de purina al lugar activo (binding pocket). El grupo g-amino del residuo de glutamina puede adoptar alternativamente dos orientaciones diferentes:
- La red de enlaces de hidrógeno es responsable de la selectividad para la unión con guanina-GMPc
- Se alterna para permitir la selección de la adenina – AMPc
En los PDE que pueden hidrolizar tanto GMPc como AMPc (las PDE3) las glutaminas pueden rotar libremente y por ello conmutan entre ambas orientaciones.[2] [3]
Isoformas de la PDE3
La familia de las PDE3 en mamíferos consta de dos miembros, PDE3A y PDE3B. Las isoformas de la PDE3 son estructuralmente similares, conteniendo un dominio N-terminal importante para la localización celular y un final C-terminal.[4]
El inserto de 44 aminoácidos del dominio catalítico difiere en las isoformas de la PDE3 y las porciones N-terminales de las isoformas son bastante divergentes The 44 amino acid insertion in the catalytic domain differs in the PDE3 isoforms and the N-terminal portions of the isoforms are quite divergent. La PDE3A y la PDE3B tienen propiedades farmacológicas y cinéticas sorprendentemente similares pero se distinguen en sus perfiles de expresión así como en su afinidad por el cGMP.[2]
Localización de la PDE3
La PDE3A está implicada principalmente en la función cardiovascular y en la fertilidad pero la PDE3B esta implicada principalmente en la lipólisis.[2] La Table 1 es un esquema global de la localización de las isoformas de la PDE3.
En general, la PDE3 puede estar unida a membranas plasmáticas o citosólicas , retículo sarcoplasmático, aparato de golgi o envoltura nuclear.[4]
La PDE3B está predominantemente asociada a membrana y se localiza en el [[retículo endoplasmático y las fracciones microsomales.[3]
La PDE3A puede estar tanto asociado a membrana como en forma citosólica dependiendo de la variante como del tipo de de célula en el que se expresa.[3]
Perfil genético
La familia de las PDE3 está compuesta por dos genes, PDE3A y PDE3B. En las células en las que se exprean ambos genes, el PDE3A es el que habitualmente es el dominante. Las tres variantes diferentes de la PDE3A (PDE3A1-3) son productos de una transcripción alternativa del mismo gen. The El PDE3B codifica una única isoforma.[3] [5]
En la forma de longitud completa, tanto la PDE3A como la PDE3B contiene dos regiones hidrofóbicas N-terminales asociadas a membrana, NHR1 y NHR2 (figura 3). La diferencia de las variantes PDE3A1-3 radica en si estas incluyen:
- Tanto NHR1 como NHR2
- Sólo NHR2
- ni NHR1 ni el NHR2
Se predijo que la última sería exclusiva de la forma soluble/citosólica.[5] [6]
Regulación
Las actividades de la PDE3A y PDE3B están reguladas por varias vías de fosforilación. La Proteín qinasa A y la Proteín quinasa B activan ambos las PDE3A y PDE3B vía fosforilación en dos diferentes lugares (P1 y P2). entre las zonas NHR1 y NHR2 (figura 2). La hidrólisis del AMPc por las isoformas de la PDE3 también está directamente inhibida por GMPc aunque la PDE3B es sólo ≈10% menos sensible a la inhibición del cGMP que el PDE3A.[5]
El PDE3B ha sido extensamente estudiado por su importancia en la mediación de los efectos antilipolíticos y antiglucogénicos de la insulina en los tejidos adiposo y hepático. La activación de la PDE3B en los adipocitos está asociado con la fosforilación está asociado con la fosforilación de un residuo de serina por una proteín serina-quinasa estimulada por insulina (PDE3IK).
Bloqueando la activación por parte de la insulina de la PDE3IK y a su vez la fosforilación/activación de la PDE3B se puede antagonizar el efecto antilipolítico de la insulina. La activación de la PDE3B baja las concentraciones de AMPc que a su vez reduce la actividad de la Proteín quinasa A. La proteín quinasa A es responsable de la activación de la lipasa que induce la lipolisis así como otras vías fisiológicas.[1] [5]
No está claros si las vías de fosforilación que regulan la actividad de las PDE3A o PDE3B pueden servir como potenciales objetivos de la fabricación de fármacos o mas bien pudiera ser el dominio catalítico de la PDE3, y su discusión va más allá del ámbito de este texto.
Función de la PDE3
Las enzimas PDE3 están implicadas en la regulación de la contracción del músculo cardiaco y el músculo liso vascular. Originalmente se investigó las moléculas que inhibían la PDE3 para el tratamiento de la insuficiencia cardiaca pero debido a los efectos secundarios, en especial la arritmia ya no se han vuelto a estudiar con estos fines. No obstante, el inhibidor de la PDE3 llamado milrinona está aprobado para uso en la insuficiencia cardiaca administrado por vía intravenosa.[3]
Tanto la PDE3A como la PDE3B se expresan en las células del músculo liso vascular y probablemente modulan la contracción. Su expresión en el músculo vascular liso se puede alterar bajo condiciones específicas como niveles elevados de AMPc e hipoxia.[3]
Los inhibidores de las PDEs:
- antagonizan la agregación plaquetaria.
- bloquean la maduración de los oocitos.
- incrementan la contractibilidad del corazón.
- promueven la relajación del músculo liso vascular.
- promueven la relajación del músculo liso en las vías aéreas.
Se ha demostrado la la inhibición de la PDE3A impide la maduración de los oocitos in vitro e in vivo.[3] Por ejemplo, cuando se obtienen ratones completamente deficientes en PDE3A, resultan infértiles.[4]
La agregación plaquetaria está altamente regulada por nucleótidos cíclicos. El PDE3A es un regulador de este proceso y los inhibidores de las fosfodiesterasas (PDE's) impiden eficazmente la agregación. El cilastazol es un tratamiento aprobado de la claudicatio intermittens y se piensa que actúa inhibiendo la agregación plaquetaria y también la inhibición de la proliferación del músculo liso y la vasodilatación..
Los papeles más estudiados de la PDE3B han sido en el área de la señalización de la insulina, el IGF-1 y la leptina.[3] Cuando se sobreexpresa la PDE3B en las células β de ratones, provoca una secreción de insulina alterada e intolerancia a la glucosa.[4]
La implicación de la PDE3B en la regulación de esas rutas importantes ha estimulado a los investigadores a comenzar investigaciones sobre los posibles roles de esta enzima en afecciones como la obesidad, diabetes y celulitis.[7]
REF (relacciones estructura-función)
Desde los primeros es tudios se derivo un modelo inicial del la topografía del lugar activo de la PDE. Este modelo temprano se puede resumir en los siguientes pasos que tienen que ver con la topografía del lugar activo para el AMPc.:
- El sustrato AMPc con sus porciones adenina y ribosa en "antirelación".
- El átomo de fósforo del AMPc se une al lugar activo de la PDE utilizando un residuo de arginina y una molécula de agua, que inicialmente se asocia con Mg2+. Un segundo residuo de arginina y el Mg2+ pueden también desempeñar papeles durante la unión o en el subsiguiente paso.
- El ataque al SN2 del fósforo por H2O con la formación de una pirámide trigonal (estado de transición).
- El 5´-AMP se forma como un producto "invertido". Las cargas electrónicas conservan la carga neta global y a través del estado de transición.[8]
Referencias
- ↑ a b c d e f g Degerman E., Belfrage P., Manganiello V.C.. “Structure, localization, and regulation of cGMP-inhibited phosphodiesterase (PDE3)”, Journal of Biological Chemistry, 272(11): 6823-6826, 1997.
- ↑ a b c d e f Jeon Y.H., Heo Y.-S., Kim C.M., Hyun Y.-L., Lee T.G., Ro S., Cho J.M.. “Phosphodiesterase: overview of protein structures, potential therapeutic applications and recent progress in drug development”, Cell. Mol. Life Sci., 62: 1198-1220, 2005.
- ↑ a b c d e f g h i j k l Bender A.T., Beavo J.A.. “Cyclic nucleotide phosphodiesterases: Molecular regulation to clinical use”, Pharmacological Reviews, 58(3): 488-520, 2006.
- ↑ a b c d Lugnier C.. “Cyclic nucleotide phosphodiesterase (PDE) superfamily: A new target for the development of specific therapeutic agents”, Pharmacology & Therapeutics, 109: 366-398, 2006.
- ↑ a b c d Maurice D.H., Palmer D., Tilley D.G., Dunkerley H.A., Netherton S.J., Raymond D.R., Elbatarny H.S., Jimmo S.L.. “Cyclic Nucleotide Phosphodiesterase Activity, Expression, and Targeting in Cells of the Cardiovascular System”, Mol Pharmacol, 64: 533-546, 2003.
- ↑ Matthew M.. “Isoform-Selective Inhibitors and Activators of PDE3 Cyclic Nucleotide Phosphodiesterases”, WO 2003/012030: International patent application (PCT), World Intellectual Property Organization, 2003.
- ↑ Massimiliana L., Sandro G., Alessandro G.. “Pharmaceutical Compositions for the Treatment of Cellulite”, WO 2006/063714: International patent application (PCT), World Intellectual Property Organization, 2006.
- ↑ Erhardt P.W., Chou Y.. “A topographical model for the c-AMP phosphodiesterase III active site”, Life Sciences, 49(8): 553-568, 1991.
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