Fosfodiesterasa 3

La PDE3 es una fosfodiesterasa . Las PDE pertenecen a al menos once familias de genes relacionadas , que difieren en su estructura primaria , afinidad por el sustrato , respuesta a los efectores y mecanismo de regulación . La mayoría de las familias de PDE están compuestas por más de un gen. La PDE3 es clínicamente significativa debido a su papel en la regulación del músculo cardíaco, el músculo liso vascular y la agregación plaquetaria. Se han desarrollado inhibidores de la PDE3 como fármacos, pero su uso está limitado por los efectos arrítmicos y pueden aumentar la mortalidad en algunas aplicaciones.

Las enzimas PDE3 participan en la regulación de la contractilidad del músculo liso cardíaco y vascular . Las moléculas que inhiben la PDE3 se investigaron inicialmente para el tratamiento de la insuficiencia cardíaca , pero, debido a los efectos secundarios arrítmicos no deseados , ya no se estudian para esa indicación . No obstante, el inhibidor de la PDE3 milrinona está aprobado para su uso en la insuficiencia cardíaca por vía intravenosa . ^{[ 1 ]}

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 liso vascular se altera en condiciones específicas como niveles elevados de AMPc e hipoxia . ^{[ 1 ]}

La familia PDE3 en mamíferos consta de dos miembros: PDE3A y PDE3B. Las isoformas de PDE3 son estructuralmente similares, conteniendo un dominio N-terminal importante para la localización y un extremo C-terminal. ^{[ 2 ]} La inserción de 44 aminoácidos en el dominio catalítico difiere entre las isoformas de PDE3, y las porciones N-terminales de las isoformas son bastante divergentes. PDE3A y PDE3B tienen propiedades farmacológicas y cinéticas sorprendentemente similares , pero la diferencia radica en los perfiles de expresión y la afinidad por el cGMP. ^{[ 3 ]}

La familia PDE3 está compuesta por dos genes , PDE3A y PDE3B . En las células que expresan ambos genes, PDE3A suele ser dominante. Tres variantes diferentes de PDE3A (PDE3A1-3) son producto del uso alternativo del codón de inicio del gen PDE3A . El gen PDE3B codifica una única isoforma . ^{[ 1 ] [ 4 ]}

En su forma completa, tanto PDE3A como PDE3B contienen dos regiones hidrofóbicas de asociación a la membrana en el extremo N-terminal, NHR1 y NHR2 (figura 2 ). La diferencia entre las variantes PDE3A1-3 radica en si incluyen:

• tanto NHR1 como NHR2
• solo NHR2
• ni NHR1 ni NHR2.

Se puede predecir que la última se encontrará exclusivamente en forma soluble / citosólica . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

La PDE3A está implicada principalmente en la función cardiovascular y la fertilidad, mientras que la PDE3B está implicada principalmente en la lipólisis. ^{[ 3 ]} La Tabla 1 es una descripción general de la localización de las isoformas de PDE3.

En general, la PDE3 puede ser citosólica o estar unida a la membrana y se ha asociado a la membrana plasmática , el retículo sarcoplásmico , el aparato de Golgi y la envoltura nuclear . ^{[ 2 ]}

La PDE3B está predominantemente asociada a la membrana y se localiza en el retículo endoplasmático y en las fracciones microsomales . ^{[ 1 ]}

La PDE3A puede estar asociada a la membrana o ser citosólica, dependiendo de la variante y del tipo de célula en la que se expresa. ^{[ 1 ]}

La actividad de PDE3A y PDE3B está regulada por varias vías de fosforilación . La proteína quinasa A y la proteína quinasa B activan PDE3A y PDE3B mediante fosforilación en dos sitios de fosforilación diferentes (P1 y P2) entre NHR1 y NHR2 (figura 2). La hidrólisis de cAMP por las isoformas de PDE3 también es inhibida directamente por cGMP , aunque PDE3B es solo ≈10% tan sensible a la inhibición por cGMP como PDE3A. ^{[ 4 ]} La PDE3B ha sido ampliamente estudiada por su importancia en la mediación del efecto antilipolítico y antiglucogenético de la insulina en los tejidos adiposo y hepático . La activación de PDE3B en los adipocitos está asociada con la fosforilación del residuo de serina por una proteína serina quinasa estimulada por insulina (PDE3IK). Al bloquear la activación de la PDE3IK por la insulina y, a su vez, la fosforilación/activación de la PDE3B, se puede antagonizar el efecto antilipolítico de la insulina. La activación de la PDE3B disminuye las concentraciones de AMPc, lo que a su vez reduce la actividad de la proteína quinasa A. La proteína quinasa A es responsable de la activación de la lipasa , que induce la lipólisis , así como otras vías fisiológicas. ^{[ 6 ] [ 4 ]}

No está claro si las vías de fosforilación, que regulan la actividad de PDE3A o PDE3B, podrían servir como posibles dianas farmacológicas en lugar del dominio catalítico de la propia enzima PDE3 , y este tema escapa al alcance de este texto.

Las PDE de mamíferos comparten una organización estructural común y contienen tres dominios funcionales: el núcleo catalítico conservado, un extremo N-terminal regulador y el extremo C-terminal . El núcleo catalítico conservado presenta una similitud mucho mayor dentro de las familias de PDE, con aproximadamente un 80 % de identidad de aminoácidos , que entre diferentes familias. Se cree que este núcleo contiene elementos estructurales comunes importantes para la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster de cAMP y cGMP . También se cree que contiene determinantes específicos de cada familia para las diferencias en la afinidad por los sustratos y la sensibilidad a los inhibidores. ^{[ 6 ]}

El dominio catalítico de la PDE3 se caracteriza por una inserción de 44 aminoácidos, pero esta inserción es única en la familia PDE3 y es un factor a tener en cuenta al determinar la estructura de un inhibidor de PDE3 potente y selectivo . ^{[ 6 ]}

La estructura cristalina de los dominios catalíticos de varias PDE, incluida la PDE3B, ha demostrado que contienen tres subdominios helicoidales:

1. Región de plegamiento de ciclina N-terminal
2. Región de enlace
3. Haz helicoidal C-terminal ^{[ 3 ] [ 1 ]}

En la interfaz de estos dominios se forma una cavidad hidrofóbica profunda mediante residuos altamente conservados entre todas las PDE. Esta cavidad es el sitio activo y está compuesta por cuatro subsitios  :

1. Sitio de unión al metal (sitio M)
2. Bolsillo central (bolsillo Q)
3. Bolsillo hidrofóbico (bolsillo H)
4. Región de la tapa (región L) ^{[ 3 ] [ 1 ]}

El sitio M se encuentra en la parte inferior del bolsillo de unión hidrofóbico y contiene dos sitios de unión para metales divalentes . Los iones metálicos que pueden unirse a estos sitios son zinc o magnesio. El sitio de unión del zinc tiene dos residuos de histidina y dos de ácido aspártico que están absolutamente conservados entre las PDE estudiadas hasta la fecha. ^{[ 3 ] [ 1 ]}

Las porciones N-terminales de las PDE son muy divergentes y contienen determinantes asociados a propiedades reguladoras específicas de diferentes familias de genes. En el caso de la PDE3, estos determinantes son los dominios de asociación a la membrana hidrofóbica y los sitios de fosforilación de la proteína quinasa dependiente de cAMP. ^{[ 6 ]}

En un principio, las PDE3 se purificaron y describieron como enzimas que hidrolizan tanto cGMP como cAMP con valores de K _m de 0,1–0,8 μM. Sin embargo, la V _max para la hidrólisis de cAMP es de 4 a 10 veces mayor que la V _max para la hidrólisis de cGMP . ^{[ 6 ]}

Cuando se identificaron por primera vez las diferentes PDE, se aislaron dos tipos (PDE3 y PDE4) que presentaban alta afinidad por el AMPc. La PDE3 mostraba alta afinidad tanto por el GMPc como por el AMPc, mientras que la PDE4 solo la mostraba por el AMPc. Por este motivo, la PDE3 se denominó PDE inhibida por GMPc para distinguirla de la PDE4. ^{[ 6 ]}

Se cree que la inserción de 44 aminoácidos en el dominio catalítico de las PDE3 está involucrada en la interacción de la PDE3 con su sustrato e inhibidores, pero esto aún no se ha establecido. ^{[ 6 ]}

El mecanismo molecular propuesto para la especificidad de los nucleótidos cíclicos de las PDE es el denominado mecanismo de conmutación de glutamina .

En las PDE cuya estructura se ha resuelto, parece existir un residuo de glutamina invariante que estabiliza la unión del anillo de purina en el sitio activo (bolsillo de unión). El grupo γ-amino del residuo de glutamina puede adoptar alternativamente dos orientaciones diferentes:

1. La red de enlaces de hidrógeno favorece la unión de la guanina y la selectividad del cGMP.
2. La red de enlaces de hidrógeno favorece la unión de la adenina y la selectividad del AMPc.

En las PDE que pueden hidrolizar tanto cGMP como cAMP (PDE3), la glutamina puede rotar libremente y, por lo tanto, cambiar entre orientaciones. ^{[ 3 ] [ 1 ]}

A partir de estudios iniciales, se derivó un modelo inicial de la topografía del sitio activo de la PDE. Este modelo inicial se puede resumir en los siguientes pasos con respecto a la topografía del sitio activo del cAMP :

1. Sustrato de cAMP con sus fracciones de adenina y ribosa en una relación "anti".
2. El átomo de fosfato en el AMPc se une al sitio activo de la PDE, utilizando un residuo de arginina y una molécula de agua, que inicialmente estaba asociada con ^Mg²⁺ . Un segundo residuo de arginina y el Mg²⁺ ^también pueden desempeñar un papel durante la unión y/o en el siguiente paso.
3. Ataque SN2 del fósforo por H2O _con formación de un estado de transición de bipirámide trigonal _.
4. El 5´-AMP se forma como un producto "invertido". Las cargas electrónicas conservan la carga neta total y a través del estado de transición ^{[ 7 ].}

Inhibidores de la PDE3 :

• antagonizar la agregación plaquetaria
• bloquear la maduración de los ovocitos
• aumentar la contractilidad del corazón
• mejorar la relajación del músculo liso vascular
• Mejora la relajación del músculo liso de las vías respiratorias.

Se ha demostrado que la inhibición de PDE3A previene la maduración de los ovocitos in vitro e in vivo . ^{[ 1 ]} Por ejemplo, cuando los ratones son completamente deficientes en PDE3A, se vuelven infértiles. ^{[ 2 ]}

La agregación plaquetaria está altamente regulada por nucleótidos cíclicos. La PDE3A regula este proceso, y los inhibidores de la PDE3 previenen eficazmente la agregación plaquetaria. El cilostazol está aprobado para el tratamiento de la claudicación intermitente y se cree que su acción implica la inhibición de la agregación plaquetaria, así como la inhibición de la proliferación del músculo liso y la vasodilatación.

Las funciones más estudiadas de la PDE3B se han centrado en las áreas de señalización de la insulina , el IGF1 y la leptina . ^{[ 1 ]} Cuando la PDE3B se sobreexpresa en las células β de los ratones, provoca una alteración en la secreción de insulina e intolerancia a la glucosa . ^{[ 2 ]}

La expresión de PDE3a se ha descrito como un biomarcador de sensibilidad al inhibidor de PDE3, zardaverina, en diferentes tipos de cáncer. ^{[ 8 ]}

Al actuar sobre la PDE3 con dosis y tiempos óptimos, la enoximona previene la inflamación alérgica en modelos de inflamación alérgica de las vías respiratorias inducida por ácaros del polvo doméstico. ^{[ 9 ]} Los inhibidores de la PDE3, enoximona y milrinona, pueden utilizarse como fármaco de rescate en el asma bronquial potencialmente mortal/ asma aguda grave . ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

• inhibidor de la maduración de ovocitos