1. Les classes et les isoformes de l'adénylate cyclase (ou adénylyl-cyclase) (EC 4.6.1.1)

2. Structure des adénylates cyclases

3. L'adénosine mono-phophate cyclique (AMPc)

4. Activation des protéines kinases A par l'AMPc

5. Rôle de l'AMPc dans la répression catabolique

6. Dégradation de l'AMPc par la phosphodiesterase

7. Liens Internet et références bibliographiques

1. Les classes et les isoformes de l'adénylate cyclase (ou adénylyl-cyclase) - EC 4.6.1.1

L'adénylate cyclase a été décrite par Earl Sutherland et Ted Rall en 1962 après leur découverte de l'AMP cyclique comme médiateur de l'effet de l'épinéphrine dans la glycogènolyse (1957) et comme médiateur de l'effet d'autres hormones sur la lipolyse.

L'AMP cyclique a été le premier messager secondaire décrit.

Nom systématique de l'adénylate cyclase : 3',5'-AMP cyclique synthétase.

• Il existe 6 classes d'adénylate cyclase.
• Au sein de la classe III (eucaryotes, mammifères), il existe 10 isoformes (appelés type 1 à 10 ou ADCY 1-10 chez l'homme).
• Neuf adénylates cyclases de la classe III sont localisées dans la membrane des cellules. L'isoforme 10 est soluble.

2. Structure des adénylates cyclases

Ce sont de grosses enzymes (entre ≈ 800 et ≈ 2000 acides aminés selon l'isoforme et l'organisme).

Elles ont une structure fortement homologue et sont composées de :

• 2 régions transmembranaires (M1, M2) contenant chacune 6 hélices : ancrage dans la membrane.
• 2 régions cytoplasmiques (C1, C2) subdivisées en domaines C1a, C1b, C2a, C2b) : activités catalytiques et régulation par les protéines G et la forskoline.

Source : ISB

En solution, les domaines C1a et C2a peuvent former des homodimères ou des hétérodimères.

• Le domaine C1a est très gros (15 kDa) avec une structure variable selon les isoformes. Ils contient de nombreux sites de régulation.
• Le domaine C2b est quasiment inexistant dans la plupart des isoformes et on ne connait pas encore sa fonction exacte

Visualisation du complexe [adénylate cyclase / protéine G_s- sous-unité α] à une résolution de 2,87 Å.

Code PDB : 3C16

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Chaînes représentées :

• en violet : adénylate cyclase de type 5 (Canis lupus) : domaine C1A
• en vert : adénylate cyclase de type 2 (Rattus norvegicus) : domaine C2A
• en rose : sous-unité α de la protéine G_s (Bos taurus) : fragment traité à la trypsine

GSP : 5'-GDP-monothiophosphate

3. L'adénosine mono-phophate cyclique (AMPc)

L'adénylate cyclase synthétise l'AMPc (figure ci-dessous) selon la réaction : ATP <=> 3',5'-AMP cyclique + PPi

Le groupement phosphate est relié aux carbones 3 et 5 du ribose.

La concentration de l'AMPc est controlée par une balance fine entre sa synthèse par l'adénylate cyclase et sa dégradation en 5'-AMP par une phosphodiestérase (voir la PDE ci-dessous). La concentration d'AMPc suit ainsi les variations de concentration d'hormone puisque l'AMPc disparait quand l'hormone n'active plus l'adénylate cyclase.

Figure ci-dessous : emplacement de la réaction catalysée par l'adénylate cyclase (EC 4.6.1.1) dans le métabolisme.

Source : KEGG

4. Activation des protéines kinases A (PKA) par l'AMPc

Les PKA sont constituées de 2 sous-unités catalytiques et de 2 sous-unités régulatrices.

Les sous-unités catalytiques phosphorylent les résidus Ser ou Thr présents dans la séquence Arg-Arg-X-Ser/Thr.

L'inhibition des sous-unités catalytiques par les sous-unités régulatrices résulte de l'occupation du site catalytique par un peptide pseudo-substrat Arg-Arg-X-Ala, qui ne peut être phosphorylé (il n'y a pas de groupement hydroxyle sur la chaîne latérale de l'Ala).

La fixation d'AMPc sur les 2 sites de chaque sous-unité régulatrice de la PKA induit un changement de conformation de ces sous-unités.

Les deux sous-unités catalytiques sont alors relarguées et deviennent actives.

Effet sur la glycogènolyse

Le glucagon est une hormone peptidique de 29 acides aminés sécrétée par le pancréas : elle stimule la lipolyse et la conversion des acides gras libres en cétones et inhibe la synthèse et favorise la dégradation des protéines.

• le glucagon augmente le taux d'AMPc ce qui stimule l'adénylate cyclase.
• celle-ci active la protéine kinase A dépendante de l'AMPc qui à son tour phosphoryle la phosphorylase kinase (glycogènolyse).
• cette dernière active à son tour la glycogène phosphorylase (par phosphorylation).
• la glycogène phosphorylase catalyse enfin la dégradation du glycogène en glucose 1-phosphate.
• le taux de glucose sanguin augmente.

5. Rôle de l'AMPc dans la répression catabolique

La transcription de l'opéron lactose est induite si l'on remplace le glucose par du lactose.

Inversement, l'opéron n'est pas transcrit tant que le glucose du milieu n'est pas épuisé : c'est ce que l'on appelle la répression catabolique.

Des mutations dans les gènes codant pour l'adénylate cyclase ou dans le gène codant pour une protéine appelée CAP ("Catabolite gene Activator Protein") abolissent la répression catabolique.

En effet, quand la concentration en glucose diminue, un signal de carence alimentaire est déclenché et se traduit par une augmentation du taux d'AMPc :

Source : R. Jalouzot

• l'AMPc forme un complexe avec la protéine CAP. Ce complexe se lie à l'ADN en amont du site de fixation de l'ARN polymérase
• l'interaction du complexe CAP-AMPc agit comme un inducteur et augmente l'affinité de l'ARN polymérase pour le promoteur de l'opéron
• cette régulation positive augmente d'un facteur 50 la transcription de l'opéron lactose

6. Dégradation de l'AMPc par la phosphodiesterase (PDE)

La dégradation de l'AMPc est catalysée par la 3',5'-nucleotide cyclique phosphodiesterase (EC 3.1.4.17) selon la réaction : AMPc + H2O <=> 5'-AMP

Il existe de multiples formes de PDE chez les Eucaryotes. Ces isoenzymes possède un substrat spécifique et une régulation distincte.

Structure du domaine catalytique de la phosphodiestérase humaine liée à l'AMP (Zhang et al., 2004) : MMDB 28673 - PDB 1TB5

La PDE est inhibée par les méthyl-xanthines comme la caféine ou la théophylline. L'inhibition empèche la dégradation du second messager et prolonge donc le signal et l'activation des effecteurs.