stringtranslate.com

Киназа фосфорилазы

Киназа фосфорилазы (PhK) — это серин/треонин-специфическая протеинкиназа , которая активирует гликогенфосфорилазу для высвобождения глюкозо-1-фосфата из гликогена . PhK фосфорилирует гликогенфосфорилазу по двум остаткам серина, вызывая конформационный сдвиг, который благоприятствует более активной форме гликогенфосфорилазы «a» по сравнению с менее активной гликогенфосфорилазой b. [1]

Белок представляет собой гексадекамерный голофермент — то есть гомотетрамер, в котором каждая субъединица сама по себе является тетрамером — организованный в приблизительной форме «бабочки». Каждая из субъединиц состоит из субъединиц α, β, γ и δ. Субъединица γ является местом каталитической активности фермента, в то время как остальные три субъединицы выполняют регуляторные функции.

В неизмененном виде субъединицы α и β ингибируют катализ фермента, но фосфорилирование обеих этих субъединиц протеинкиназой А (PKA или цАМФ -зависимой протеинкиназой) снижает их соответствующую ингибирующую активность. Субъединица δ является вездесущим эукариотическим белком кальмодулином, который сам по себе имеет 4 участка связывания ионов кальция. Когда уровни цитозольного Ca 2+ повышаются до 10−7 M , субъединица δ претерпевает большое конформационное изменение, которое активирует активность киназы путем связывания с комплементарным гидрофобным участком на каталитической субъединице γ. [2]

Гены

История

Киназа фосфорилазы была первой протеинкиназой, которая была выделена и подробно охарактеризована, впервые это сделали Кребс, Грейвс и Фишер в 1950-х годах. [3] [4] [5] В то время научное сообщество в значительной степени не осознавало важности фосфорилирования белков в регуляции клеточных процессов, и многие в этой области отвергали фосфопротеины как биологически неважные. Поскольку ковалентная модификация фосфорилированием является широко распространенным и важным методом биохимической регуляции в самых разных клеточных процессах, открытие этой реакции оказало огромное влияние на научное понимание регуляторных механизмов.

Субстрат PhK, гликогенфосфорилаза, был выделен Карлом и Герти Кори в 1930-х годах, которые определили, что существуют две формы: неактивная форма b и активная форма a. Однако по неизвестным в то время причинам единственным способом выделения гликогенфосфорилазы a из мышечной ткани была бумажная фильтрация — другие методы, такие как центрифугирование, не работали. Это было критическим пониманием со стороны Фишера и др., что именно присутствие ионов кальция в фильтровальной бумаге генерировало активную изоформу «a». Более поздние исследования показали, что ионы кальция на самом деле активировали киназу фосфорилазы через δ-регуляторную субъединицу, что приводило к фосфорилированию гликогенфосфорилазы. [6] [7] [8]

Механизм

Точные детали каталитического механизма PhK все еще изучаются. [9] [10] [11] [12] [13] Хотя это может показаться удивительным, учитывая, что он был выделен более 50 лет назад, существуют значительные трудности в изучении более тонких деталей структуры и механизма PhK из-за его большого размера и высокой степени сложности. [2] В активном центре существует значительная гомология между PhK и другими так называемыми протеинкиназами P-петли, такими как протеинкиназа A (PKA, цАМФ-зависимая киназа). В отличие от этих других белков, которым обычно требуется фосфорилирование остатка серина или тирозина в каталитическом центре для активности, каталитическая γ-субъединица PhK является конститутивно активной из-за наличия отрицательно заряженного остатка глутамата, Glu-182. [11] [12]

Структурные и биохимические данные предполагают, что один из возможных механизмов действия фосфорилирования гликогенфосфорилазы с помощью PhK включает прямой перенос фосфата из аденозинтрифосфата (АТФ) в субстрат серин . [9]

Структура

Киназа фосфорилазы представляет собой гексадекамерный голофермент массой 1,3 МДа, хотя его размер может несколько варьироваться из-за замены различных изоформ субъединиц посредством сплайсинга мРНК. [14] [15] [16] Он состоит из четырех гомотетрамеров, каждый из которых включает четыре субъединицы (α, β, δ, γ). Известно, что только субъединица γ обладает каталитической активностью, в то время как другие выполняют регуляторные функции. Из-за нестабильности регуляторных субъединиц в растворе только субъединица γ была кристаллизована индивидуально:

В целом, субъединицы расположены в двух долях, ориентированных спина к спине в том, что было описано как форма «бабочки» с симметрией D2. [14] [17] [18] Каждая доля состоит из двух тетрамеров, каждый из которых состоит из субъединиц αβδγ, как описано ранее. Субъединица δ неотличима от клеточного кальмодулина , в то время как субъединицы α и β являются близкими гомологами друг друга, которые, как предполагается, возникли в результате дупликации гена и последующей дифференциации. [19]

Биологическая функция и регуляция

Обзор регуляции киназы фосфорилазы.

Физиологически киназа фосфорилазы играет важную роль в стимуляции распада гликогена на свободный глюкозо-1-фосфат путем фосфорилирования гликогенфосфорилазы и стабилизации ее активной конформации. Эта активность особенно важна в клетках печени и мышц, хотя и для несколько иных целей. В то время как мышечные клетки обычно расщепляют гликоген для обеспечения своей непосредственной активности, клетки печени отвечают за поддержание концентрации глюкозы в кровотоке. Таким образом, регуляторные механизмы активности PhK несколько различаются в зависимости от типа клеток. [1]

В целом фермент регулируется аллостерически и обратимым фосфорилированием. Гормоны, нервные импульсы и сокращение мышц стимулируют высвобождение ионов кальция. Они действуют как аллостерический активатор, связываясь с δ-субъединицами киназы фосфорилазы и частично активируя активность фермента. Это связывание частично стабилизирует белок в активной форме. Киназа фосфорилазы полностью активируется, когда β- и α-субъединицы фосфорилируются протеинкиназой А, а дельта-субъединица связывается с ионами кальция. [2] [7] [20]

В мышечных клетках фосфорилирование субъединиц α и β PKA является результатом каскада клеточных сигналов, опосредованного цАМФ , инициируемого связыванием адреналина с β-адренергическими рецепторами на поверхности клеток. Кроме того, высвобождение ионов кальция из саркоплазматического ретикулума во время сокращения мышцы инактивирует ингибирующую субъединицу δ и полностью активирует PhK.

В клетках печени процесс несколько сложнее. Как глюкагон, так и адреналин могут запускать каскад цАМФ-ПКА, при этом адреналин также связывается с α-адренергическим рецептором, запуская каскад фосфоинозитидов, что приводит к высвобождению Ca 2+ из эндоплазматического ретикулума .

Когда клетке необходимо остановить распад гликогена, PhK дефосфорилируется протеинфосфатазами 1 и 2, возвращая субъединицы α и β в их первоначальную ингибирующую конфигурацию. [21] [22]

Отношение к болезни

Дефекты генов киназы фосфорилазы являются причиной болезни накопления гликогена типа IX (GSD типа IX) и GSD типа VI (ранее GSD типа VIII ), которые могут поражать печень и/или мышцы. Среди этих дефектов генов наиболее распространенными являются заболевания гликогеноза печени, сцепленные с Х-хромосомой (XLG), которые можно подразделить на XLG I и XLG II. [23] [24] Клинически эти заболевания проявляются в медленном развитии организма у детей и аномальном увеличении печени. При XLG I активность PhK аномально снижена как в клетках крови, так и в клетках печени, тогда как при XLG II активность фермента снижена только в клетках печени. Оба эти заболевания вызваны мутациями в гене PHKA2, который кодирует α-субъединицу киназы фосфорилазы. В случае XLG I мутации часто являются бессмысленными мутациями , которые приводят к деформированным, нестабильным субъединицам α, в то время как мутации в XLG II, как правило, являются миссенс- изменениями, которые изменяют субъединицы менее серьезно. Основываясь на биоинформатических и структурных данных, некоторые предположили, что субъединицы α и β могут иметь каталитическую активность, похожую на гликоамилазы, и что миссенс-мутации в этих областях субъединицы α могут способствовать симптомам XLG II. [25] [26] Однако эта предполагаемая каталитическая активность еще не была доказана напрямую.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Берг, Дж., Тимочко, Дж. и Страйер, Л. Биохимия . WH Freeman and Co.: Нью-Йорк, 2007.
  2. ^ abc Brushia R, Walsh D (1999). «Киназа фосфорилазы: сложность ее регуляции отражается в сложности ее структуры» (PDF) . Front Biosci . 4 (1–3): D618–41. doi :10.2741/Brushia. PMID  10487978.
  3. ^ Фишер Э. Х. (2010). «Фосфорилаза и происхождение обратимого фосфорилирования белков». Biol Chem . 391 (2–3): 131–137. doi :10.1515/BC.2010.011. PMID  20030590. S2CID  29724939.
  4. ^ Krebs EG, Graves DJ, Fischer EH (1959). «Факторы, влияющие на активность мышечной фосфорилазы b киназы». J Biol Chem . 234 (11): 2867–2873. doi : 10.1016/S0021-9258(18)69685-1 . PMID  14411853.
  5. ^ Фишер Э. Х., Кребс Э. Г. (1955). «Преобразование фосфорилазы b в фосфорилазу a в мышечных экстрактах». J Biol Chem . 216 (1): 121–132. doi : 10.1016/S0021-9258(19)52289-X . PMID  13252012.
  6. ^ Cohen P, Burchell A, Foulkes JG, Cohen PT (1978). «Идентификация белка-модулятора Ca2+ как четвертой субъединицы киназы фосфорилазы скелетных мышц кролика». FEBS Lett . 92 (2): 287–293. doi : 10.1016/0014-5793(78)80772-8 . PMID  212300. S2CID  11218455.
  7. ^ ab Cohen P (1982). «Роль фосфорилирования белков в нейронном и гормональном контроле клеточной активности». Nature . 296 (5858): 613–620. Bibcode :1982Natur.296..613C. doi :10.1038/296613a0. PMID  6280056. S2CID  4315115.
  8. ^ Коэн П. (1973). «Структура субъединицы киназы фосфорилазы скелетных мышц кролика и молекулярная основа ее реакций активации». Eur J Biochem . 34 (1): 1–14. doi : 10.1111/j.1432-1033.1973.tb02721.x . PMID  4349654.
  9. ^ ab Skamnaki VT, et al. (1999). «Каталитический механизм киназы фосфорилазы, исследованный мутационными исследованиями». Биохимия . 38 (44): 14718–14730. doi :10.1021/bi991454f. PMID  10545198.
  10. ^ Грейвс Д., Бартлесон К., Биорн А., Пит М. (1999). «Распознавание субстрата и ингибитора протеинкиназ: что известно о каталитической субъединице киназы фосфорилазы?». Pharmacol Ther . 82 (2–3): 143–155. doi :10.1016/S0163-7258(98)00049-7. PMID  10454193.
  11. ^ ab Lowe ED, et al. (1997). «Кристаллическая структура комплекса субстрата пептида фосфорилазы киназы: распознавание субстрата киназы». EMBO J . 16 (22): 6646–6658. doi :10.1093/emboj/16.22.6646. PMC 1170269 . PMID  9362479. 
  12. ^ ab Owen DJ, Noble ME, Garman EF, Papageorgiou AC, Johnson LN (1995). "Две структуры каталитического домена киназы фосфорилазы: активная протеинкиназа в комплексе с аналогом субстрата и продуктом". Structure . 3 (5): 467–482. doi : 10.1016/S0969-2126(01)00180-0 . PMID  7663944.
  13. ^ Джонсон Л. Н. (2009). «Регуляция фосфорилирования белков». Biochem Soc Trans . 37 (Pt 4): 627–641. doi :10.1042/BST0370627. PMID  19614568.
  14. ^ ab Vénien-Bryan C, et al. (2009). "Структура голофермента фосфорилазы киназы при разрешении 9,9 Å и расположение каталитической субъединицы и субстратной гликогенфосфорилазы". Structure . 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). «Мультифосфорилированный домен субъединиц фосфорилазы киназы альфа M и альфа L является горячей точкой дифференциальной обработки мРНК и молекулярной эволюции». J Biol Chem . 268 (31): 23208–23214. doi : 10.1016/S0021-9258(19)49449-0 . PMID  8226841.
  16. ^ Kilimann MW (1990). «Молекулярная генетика киназы фосфорилазы: клонирование кДНК, хромосомное картирование и структура изоформ». J Inherit Metab Dis . 13 (4): 435–441. doi :10.1007/BF01799500. PMID  2122110. S2CID  43251909.
  17. ^ Nadeau OW, Gogol EP, Carlson GM (2005). «Криоэлектронная микроскопия выявляет новые особенности трехмерной структуры киназы фосфорилазы». Protein Sci . 14 (4): 914–920. doi :10.1110/ps.041123905. PMC 2253458. PMID  15741332 . 
  18. ^ Vénien-Bryan C, et al. (2002). "Трехмерная структура киназы фосфорилазы при разрешении 22 A и ее комплекс с гликогенфосфорилазой b". Структура . 10 (1): 33–41. doi : 10.1016/S0969-2126(01)00691-8 . PMID  11796108.
  19. ^ Kilimann MW, et al. (1988). «Альфа- и бета-субъединицы киназы фосфорилазы гомологичны: клонирование кДНК и первичная структура бета-субъединицы». Proc Natl Acad Sci USA . 85 (24): 9381–9385. Bibcode :1988PNAS...85.9381K. doi : 10.1073/pnas.85.24.9381 . PMC 282756 . PMID  3200826. 
  20. ^ Heilmeyer LM (1991). «Молекулярная основа интеграции сигнала в киназе фосфорилазы». 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). «Протеиновые фосфатазы, участвующие в клеточной регуляции. 2. Метаболизм гликогена». 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). «Протеиновые фосфатазы, участвующие в клеточной регуляции. 6. Измерение протеиновых фосфатаз типа 1 и типа 2 в экстрактах тканей млекопитающих; оценка их физиологических ролей». Eur J Biochem . 132 (2): 297–307. doi : 10.1111/j.1432-1033.1983.tb07362.x . PMID  6301829.
  23. ^ Хендрикс Дж., Виллемс П.Дж. (1996). «Генетические дефекты системы гликогенфосфорилазы». Hum Genet . 97 (5): 551–556. doi :10.1007/BF02281858. PMID  8655128. S2CID  23050104.
  24. ^ Хендрикс Дж. и др. (1999). «Полная геномная структура и мутационный спектр PHKA2 у пациентов с Х-сцепленным гликогенозом печени типа I и II». Am J Hum Genet . 64 (6): 1541–1549. doi :10.1086/302399. PMC 1377897. PMID  10330341 . 
  25. ^ Pallen MJ (2003). «Глюкоамилазоподобные домены в α- и β-субъединицах киназы фосфорилазы». Protein Sci . 12 (8): 1804–1807. doi :10.1110/ps.0371103. PMC 2323967. PMID 12876330  . 
  26. ^ Каррьер С, Йоник С, Морнон Дж, Каллебо И (2008). «Трехмерное картирование мутаций, вызывающих гликогеноз, в большой регуляторной альфа-субъединице киназы фосфорилазы» (PDF) . Biochim Biophys Acta . 1782 (11): 664–670. doi :10.1016/j.bbadis.2008.09.011. PMID  18950708.

Внешние ссылки