Fosforylázová kináza - Phosphorylase kinase

Fosforylázová kináza
PhK 1QL6 gamma small.png
Katalytická (gama) podjednotka fosforylázové kinázy
Identifikátory
EC číslo2.7.11.19
Číslo CAS9001-88-1
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum

Fosforylázová kináza (PhK) je a serin / threonin-specifická protein kináza který se aktivuje glykogen fosforyláza uvolnit glukóza-1-fosfát z glykogen. PhK fosforyluje glykogenfosforylázu na dvou serinových zbytcích, což vyvolává konformační posun, který upřednostňuje formu „a“ aktivnější glykogenfosforylázy před méně aktivní glykogenfosforylázou b.[1]

Protein je hexadekamérní holoenzym - to je homotetramer, ve kterém je každá podjednotka sám tetramer - uspořádaný v přibližném tvaru „motýla“. Každá z podjednotek se skládá z podjednotky α, β, γ a δ. Γ podjednotka je místem katalytické aktivity enzymu, zatímco ostatní tři podjednotky slouží regulačním funkcím.

Když jsou nemodifikované, podjednotky α a β inhibují katalýzu enzymu, ale fosforylace obou těchto podjednotek do protein kináza A (PKA, nebo tábor -dependentní protein kináza) snižuje jejich příslušné inhibiční aktivity. Podjednotka 5 je všudypřítomný eukaryotický protein kalmodulin, který sám má 4 vazebná místa pro ionty vápníku. Když cytosolický Ca2+ úrovně stoupají až na 10−7 M - podjednotka δ prochází velkou konformační změnou, která aktivuje aktivitu kinázy vazbou na komplementární hydrofobní náplast na katalytické γ podjednotce.[2]

Geny

Dějiny

Fosforylázová kináza byla první proteinovou kinázou, která byla izolována a podrobně charakterizována, kterou nejprve dosáhli Krebs, Graves a Fischer v 50. letech.[3][4][5] V té době si vědecká komunita do značné míry neuvědomovala důležitost fosforylace bílkovin při regulaci buněčných procesů a mnoho lidí v této oblasti odmítlo fosfoproteiny jako biologicky nedůležité. Protože kovalentní modifikace fosforylací je rozšířená a důležitá metoda biochemické regulace v široké škále buněčných procesů, objev této reakce měl obrovský dopad na vědecké poznání regulačních mechanismů.

Substrát PhK, glykogenfosforyláza, byl izolován Carl a Gerty Cori ve třicátých letech minulého století, kteří zjistili, že existují dvě formy: neaktivní forma b a aktivní forma a. Z dosud neznámých důvodů však jediným způsobem, jak izolovat glykogenfosforylázu a ze svalové tkáně, byla filtrace papírem - jiné metody, například centrifugace, by nefungovaly. Byl to kritický pohled ze strany Fischer et al. že to byla přítomnost iontů vápníku ve filtračním papíru, která generovala aktivní izoformu „a“. Pozdější výzkum ukázal, že ionty vápníku ve skutečnosti aktivovaly kinázu fosforylázy prostřednictvím regulační podjednotky 5, což vedlo k fosforylaci glykogenfosforylázy.[6][7][8]

Mechanismus

Přesné podrobnosti katalytického mechanismu PhK jsou stále předmětem studia.[9][10][11][12][13] I když se to může zdát překvapivé, vzhledem k tomu, že byl izolován před více než 50 lety, existují značné potíže při studiu jemnějších detailů struktury a mechanismu PhK kvůli jeho velké velikosti a vysoké míře složitosti.[2] V aktivním místě existuje významná homologie mezi PhK a jinými takzvanými P-smyčkovými proteinovými kinázami, jako je proteinová kináza A (PKA, cAMP-dependentní kináza). Na rozdíl od těchto dalších proteinů, které obvykle vyžadují fosforylaci serinového nebo tyrosinového zbytku v katalytické místo aby byla aktivní, je katalytická y podjednotka PhK konstitutivně aktivní díky přítomnosti negativně nabitého glutamátového zbytku, Glu-182.[11][12]

Strukturální a biochemické údaje naznačují, že jeden možný mechanismus účinku pro fosforylaci glykogenfosforylázy pomocí PhK zahrnuje přímý přenos fosfát z adenosintrifosfát (ATP) na podklad serin.[9]

Struktura

Fosforylázová kináza je 1,3 MDa hexadekamérní holoenzym, i když její velikost se může poněkud lišit v důsledku substituce různých podjednotkových izoforem prostřednictvím sestřihu mRNA.[14][15][16] Skládá se ze čtyř homotetramerů, z nichž každý obsahuje čtyři podjednotky (α, β, δ, γ). Je známo, že pouze y podjednotka má katalytickou aktivitu, zatímco ostatní slouží regulačním funkcím. Kvůli nestabilitě regulačních podjednotek v roztoku byla jednotlivě krystalizována pouze γ podjednotka:

Celkově jsou podjednotky uspořádány ve dvou lalocích orientovaných zády k sobě v tom, co bylo popsáno jako „motýlí“ tvar se symetrií D2.[14][17][18] Každý lalok se skládá ze dvou tetramerů, z nichž každý sestává z αβδγ podjednotek, jak bylo popsáno výše. Podjednotka δ je nerozeznatelná od buněčné klimodulin, zatímco podjednotky α a β jsou navzájem blízkými homology, u nichž se předpokládá, že vznikly genová duplikace a následná diferenciace.[19]

Biologická funkce a regulace

Přehled regulace kinázy fosforylázy.

Fyziologicky hraje fosforyláza kináza důležitou roli při stimulaci štěpení glykogenu na volný glukóza-1-fosfát fosforylací glykogenfosforylázy a stabilizací její aktivní konformace. Tato aktivita je zvláště důležitá v jaterních a svalových buňkách, i když pro poněkud odlišné účely. Zatímco svalové buňky obecně štěpí glykogen, aby podporovaly jejich okamžitou aktivitu, jaterní buňky jsou odpovědné za udržování koncentrace glukózy v krvi. Regulační mechanismy aktivity PhK se tedy poněkud liší v závislosti na typu buňky.[1]

Enzym je obecně regulován alostericky a reverzibilní fosforylací. Hormony, nervové impulsy a svalová kontrakce stimulují uvolňování iontů vápníku. Fungují jako alosterický aktivátor, vazba na 8 podjednotek fosforylázové kinázy a částečně aktivující enzymovou aktivitu. Tato vazba částečně stabilizuje protein v aktivní formě. Fosforylázová kináza je zcela aktivována, když jsou podjednotky β a α fosforylovány proteinovou kinázou A a podjednotka delta se váže na ionty vápníku.[2][7][20]

Ve svalových buňkách je fosforylace podjednotek α ​​a β pomocí PKA výsledkem buňky zprostředkované cAMP signalizační kaskáda zahájeno vazbou epinefrin na β-adrenergní receptory na povrchu buněk. Kromě toho uvolňování iontů vápníku z sarkoplazmatické retikulum během svalové kontrakce inaktivuje inhibiční δ podjednotku a plně aktivuje PhK.

V jaterních buňkách je proces o něco složitější. Jak glukagon, tak epinefrin mohou spustit kaskádu cAMP-PKA, zatímco epinefrin se také váže na α-adrenergní receptor pro spuštění kaskády fosfoinositidů, což vede k uvolnění Ca2+ z endoplazmatické retikulum.

Když buňka potřebuje zastavit rozklad glykogenu, je PhK defosforylován proteinem fosfatázy 1 a 2, vrací podjednotky a a p do své původní inhibiční konfigurace.[21][22]

Vztah k nemoci

Příčinou jsou defekty v genech fosforylázy kinázy glykogenová skladovací choroba typu IX (GSD typu IX) a GSD typu VI (dříve GSD typu VIII ), které mohou ovlivnit játra a / nebo svaly. Z těchto genových defektů patří mezi nejčastější játra vázaná na X glykogenóza (XLG) nemoci, které lze rozdělit na XLG I a XLG II.[23][24] Klinicky se tato onemocnění projevují pomalým vývojem těla v dětství a abnormálním zvětšením jater. V XLG I je aktivita PhK abnormálně snížena jak v krevních buňkách, tak v jaterních buňkách, zatímco v XLG II je aktivita enzymu snížena pouze v jaterních buňkách. Tato onemocnění jsou způsobena mutacemi v genu PHKA2, který kóduje α podjednotku fosforylázové kinázy. V případě XLG I jsou často mutace nesmyslné mutace které vedou k deformovaným nestabilním podjednotkám α, zatímco mutace v XLG II bývají missense změny, které méně vážně mění podjednotky. Na základě bioinformatických a strukturálních údajů někteří navrhli, že podjednotky α a β mohou mít katalytickou aktivitu podobnou glykoamylázám a že missense mutace v těchto oblastech podjednotky α mohou přispívat k příznakům XLG II.[25][26] Tato navrhovaná katalytická aktivita však musí být přímo prokázána.

Viz také

Reference

  1. ^ A b Berg, J., Tymoczko, J. & Stryer, L. Biochemie. W.H. Freeman a spol .: New York, 2007.
  2. ^ A b C Brushia R, Walsh D (1999). „Fosforylázová kináza: složitost její regulace se odráží ve složitosti její struktury“ (PDF). Přední Biosci. 4 (1–3): D618–41. doi:10,2741 / Brushia. PMID  10487978.
  3. ^ Fischer EH (2010). "Fosforyláza a původ reverzibilní fosforylace proteinu". Biol Chem. 391 (2–3): 131–137. doi:10.1515 / BC.2010.011. PMID  20030590.
  4. ^ Krebs EG, Graves DJ, Fischer EH (1959). "Faktory ovlivňující aktivitu svalové kinázy fosforylázy b". J Biol Chem. 234: 2867–2873. PMID  14411853.
  5. ^ Fischer EH, Krebs EG (1955). "Konverze fosforylázy b na fosforylázu a ve svalových extraktech". J Biol Chem. 216 (1): 121–132. PMID  13252012.
  6. ^ Cohen P, Burchell A, Foulkes JG, Cohen PT (1978). „Identifikace modulátorového proteinu závislého na Ca2 + jako čtvrté podjednotky kinázy fosforylázy králičího kosterního svalstva“. FEBS Lett. 92 (2): 287–293. doi:10.1016/0014-5793(78)80772-8. PMID  212300.
  7. ^ A b Cohen P (1982). "Role fosforylace bílkovin v nervové a hormonální kontrole buněčné aktivity". Příroda. 296 (5858): 613–620. doi:10.1038 / 296613a0. PMID  6280056.
  8. ^ Cohen P (1973). "Struktura podjednotky králičí-kosterně-svalové fosforylázy kinázy a molekulární základ jeho aktivačních reakcí". Eur J Biochem. 34 (1): 1–14. doi:10.1111 / j.1432-1033.1973.tb02721.x. PMID  4349654.
  9. ^ A b Skamnaki VT a kol. (1999). "Katalytický mechanismus fosforylázové kinázy sondovaný mutačními studiemi". Biochemie. 38 (44): 14718–14730. doi:10.1021 / bi991454f. PMID  10545198.
  10. ^ Graves D, Bartleson C, Biorn A, Pete M (1999). „Rozpoznávání substrátů a inhibitorů proteinových kináz: co je známo o katalytické podjednotce fosforylázové kinázy?“. Pharmacol Ther. 82 (2–3): 143–155. doi:10.1016 / S0163-7258 (98) 00049-7. PMID  10454193.
  11. ^ A b Lowe ED a kol. (1997). „Krystalová struktura komplexu peptid-fosforyláza-peptidový substrát: rozpoznání substrátu kinázy“. EMBO J.. 16 (22): 6646–6658. doi:10.1093 / emboj / 16.22.6646. PMC  1170269. PMID  9362479.
  12. ^ A b Owen DJ, Noble ME, Garman EF, Papageorgiou AC, Johnson LN (1995). "Dvě struktury katalytické domény fosforylázové kinázy: aktivní proteinová kináza v komplexu s analogem substrátu a produktem". Struktura. 3 (5): 467–482. doi:10.1016 / S0969-2126 (01) 00180-0. PMID  7663944.
  13. ^ Johnson LN (2009). "Regulace fosforylace bílkovin". Biochem Soc Trans. 37 (Pt 4): 627–641. doi:10.1042 / BST0370627. PMID  19614568.
  14. ^ A b Vénien-Bryan C a kol. (2009). „Struktura holoenzymu fosforylázy kinázy při rozlišení 9,9 Å a umístění katalytické podjednotky a substrátu glykogenfosforylázy“. Struktura. 17 (1): 117–127. doi:10.1016 / j.str.2008.10.013. PMC  2639635. PMID  19141288.
  15. ^ Wüllrich A, Hamacher C, Schneider A, Kilimann MW (1993). „Multifosforylační doména podjednotek alfa M a alfa L fosforylázy je hotspotem diferenciálního zpracování mRNA a molekulární evoluce“. J Biol Chem. 268 (31): 23208–23214. PMID  8226841.
  16. ^ Kilimann MW (1990). „Molekulární genetika fosforylázové kinázy: klonování cDNA, chromozomální mapování a struktura izoforem“. J Zdědit Metab Dis. 13 (4): 435–441. doi:10.1007 / BF01799500. PMID  2122110.
  17. ^ Nadeau OW, Gogol EP, Carlson GM (2005). „Kryoelektronová mikroskopie odhaluje nové funkce v trojrozměrné struktuře fosforylázové kinázy“. Protein Sci. 14 (4): 914–920. doi:10.1110 / ps.041123905. PMC  2253458. PMID  15741332.
  18. ^ Vénien-Bryan C a kol. (2002). „Trojrozměrná struktura fosforylázové kinázy při rozlišení 22 A a její komplex s glykogenfosforylázou b“. Struktura. 10 (1): 33–41. doi:10.1016 / S0969-2126 (01) 00691-8. PMID  11796108.
  19. ^ Kilimann MW a kol. (1988). „Alfa a beta podjednotky fosforylázové kinázy jsou homologní: klonování cDNA a primární struktura beta podjednotky“. Proc Natl Acad Sci USA. 85 (24): 9381–9385. doi:10.1073 / pnas.85.24.9381. PMC  282756. PMID  3200826.
  20. ^ Heilmeyer LM (1991). "Molekulární podstata integrace signálu ve fosforylázové kináze". Biochim Biophys Acta. 1094 (2): 168–174. doi:10.1016 / 0167-4889 (91) 90005-I. PMID  1892899.
  21. ^ Ingebritsen TS, Foulkes JG, Cohen P (1983). „Proteinové fosfatázy podílející se na buněčné regulaci. 2. Glykogenový metabolismus“. Eur J Biochem. 132 (2): 263–274. doi:10.1111 / j.1432-1033.1983.tb07358.x. PMID  6301825.
  22. ^ Ingebritsen TS, Stewart AA, Cohen P (1983). „Proteinové fosfatázy podílející se na buněčné regulaci. 6. Měření proteinových fosfatáz typu 1 a typu 2 v extraktech savčích tkání; hodnocení jejich fyziologických rolí.“ Eur J Biochem. 132 (2): 297–307. doi:10.1111 / j.1432-1033.1983.tb07362.x. PMID  6301829.
  23. ^ Hendrickx J, Willems PJ (1996). "Genetické nedostatky systému glykogen fosforylázy". Hum Genet. 97 (5): 551–556. doi:10.1007 / BF02281858. PMID  8655128.
  24. ^ Hendrickx J, et al. (1999). „Kompletní genomová struktura a mutační spektrum PHKA2 u pacientů s x-vázanou jaterní glykogenózou typu I a II“. Jsem J Hum Genet. 64 (6): 1541–1549. doi:10.1086/302399. PMC  1377897. PMID  10330341.
  25. ^ Pallen MJ (2003). „Domény podobné glukoamylázám v a- a β-podjednotkách fosforylázové kinázy“. Protein Sci. 12 (8): 1804–1807. doi:10.1110 / ps.0371103. PMC  2323967. PMID  12876330.
  26. ^ Carrière C, Jonic S, Mornon J, Callebaut I (2008). „3D mapování mutací způsobujících glykogenózu ve velké regulační alfa podjednotce fosforylázové kinázy“ (PDF). Biochim Biophys Acta. 1782 (11): 664–670. doi:10.1016 / j.bbadis.2008.09.011. PMID  18950708.

externí odkazy