stringtranslate.com

Фосфатаза легкой цепи миозина

Фосфатаза легкой цепи миозина , также называемая миозинфосфатазой (EC 3.1.3.53; систематическое название [миозин-легкая-цепь]-фосфатфосфогидролаза ), представляет собой фермент (в частности, серин/треонин-специфическую протеинфосфатазу ), который дефосфорилирует регуляторную легкую цепь миозина II :

[легкая цепь миозина] фосфат + H 2 O = [легкая цепь миозина] + фосфат

Эта реакция дефосфорилирования происходит в гладкой мышечной ткани и инициирует процесс расслабления мышечных клеток. Таким образом, миозинфосфатаза отменяет процесс сокращения мышц , инициированный киназой легкой цепи миозина . Фермент состоит из трех субъединиц: каталитической области ( протеинфосфатаза 1 или PP1), субъединицы связывания миозина (MYPT1) и третьей субъединицы (M20) неизвестной функции. Каталитическая область использует два иона марганца в качестве катализаторов для дефосфорилирования легких цепей на миозине, что вызывает конформационное изменение миозина и расслабляет мышцу. Фермент высококонсервативный [1] и обнаружен в гладкой мышечной ткани всех организмов. Хотя известно, что миозинфосфатаза регулируется rho-ассоциированными протеинкиназами , в настоящее время ведутся споры о том, регулируют ли фермент также другие молекулы, такие как арахидоновая кислота и цАМФ . [2]

Функция

Гладкая мышечная ткань в основном состоит из актина и миозина [3] , двух белков, которые взаимодействуют друг с другом, вызывая сокращение и расслабление мышц. Миозин II, также известный как обычный миозин, имеет две тяжелые цепи, которые состоят из доменов головы и хвоста, и четыре легкие цепи (по две на головку), которые связываются с тяжелыми цепями в области «шейки». Когда мышце необходимо сократиться, ионы кальция поступают в цитозоль из саркоплазматического ретикулума , где они активируют кальмодулин, который, в свою очередь, активирует киназу легкой цепи миозина (MLC-киназу). MLC-киназа фосфорилирует легкую цепь миозина (MLC 20 ) по остатку Ser-19. Это фосфорилирование вызывает конформационное изменение в миозине, активируя цикл поперечных мостиков и заставляя мышцу сокращаться. Поскольку миозин претерпевает конформационное изменение, мышца будет оставаться сокращенной, даже если концентрации кальция и активированной MLC-киназы будут доведены до нормального уровня. Для расслабления мышцы необходимо отменить конформационное изменение. [4]

Когда миозиновая фосфатаза связывается с миозином, она удаляет фосфатную группу . Без группы миозин возвращается к своей исходной конформации, в которой он не может взаимодействовать с актином и удерживать мышцу в напряжении, поэтому мышца расслабляется. Мышца будет оставаться в этом расслабленном положении до тех пор, пока миозин не будет фосфорилирован MLC-киназой и не подвергнется конформационному изменению.

Структура

3D-изображение PP1 (показано красным) и части MYPT1 (показано синим), с катализаторами марганцевых ионов, показанными белым. Желтые линии обозначают канавки, которые имеют решающее значение для связывания ферментов и катализа.

Миозинфосфатаза состоит из трех субъединиц. Каталитическая субъединица, PP1, является одной из наиболее важных Ser/Thr фосфатаз в эукариотических клетках , поскольку она играет роль в метаболизме гликогена , внутриклеточном транспорте, синтезе белка и делении клеток , а также в сокращении гладких мышц. [5] Поскольку она так важна для основных клеточных функций, и поскольку в клетках гораздо меньше протеинфосфатаз, чем киназ, [6] структура и функция PP1 высоко консервативны (хотя специфическая изоформа, используемая в миозинфосфатазе, — это δ-изоформа, PP1δ). [7] PP1 работает, используя два иона марганца в качестве катализаторов для дефосфорилирования (см. ниже).

Вокруг этих ионов находится Y-образная щель с тремя бороздками: гидрофобной, кислотной и С-концевой. Когда PP1 не связан ни с одной другой субъединицей, он не является особенно специфичным. Однако, когда он связывается со второй субъединицей миозиновой фосфатазы, MYPT1 (ММ ~130 кДа), эта каталитическая щель меняет конфигурацию. Это приводит к резкому увеличению специфичности миозина. [1] Таким образом, очевидно, что MYPT1 обладает большой регуляторной силой над PP1 и миозиновой фосфатазой, даже без присутствия других активаторов или ингибиторов.

Третья субъединица, M20 (не путать с MLC 20 , критической регуляторной субъединицей миозина), является самой маленькой и самой загадочной субъединицей. В настоящее время о M20 мало что известно, за исключением того, что она не нужна для катализа, поскольку удаление субъединицы не влияет на оборот или селективность. [1] Хотя некоторые полагают, что она может иметь регуляторную функцию, пока ничего не определено. [2]

Механизм

Механизм удаления фосфата из Ser-19 очень похож на другие реакции дефосфорилирования в клетке, такие как активация гликогенсинтазы . Регуляторная субъединица миозина MLC 20 связывается как с гидрофобными, так и с кислотными бороздками PP1 и MYPT1, регуляторного участка на миозинфосфатазе. [1] [8] После того, как они находятся в правильной конфигурации, как физофорилированный серин , так и свободная молекула воды стабилизируются остатками водородных связей в активном центре, а также положительно заряженными ионами (которые сильно взаимодействуют с отрицательной фосфатной группой). His-125 (на миозинфосфатазе) отдает протон Ser-19 MLC 20 ), и молекула воды атакует атом фосфора . После перетасовки протонов для стабилизации (что происходит быстро по сравнению с атакой на фосфор) образуются фосфат и спирт, и оба покидают активный центр.

Механизм PP1 для фосфатазы миозина с показанными критическими остатками фермента. [9] [10] Субстраты и продукты выделены жирным шрифтом и красным цветом, а ионы марганца — синим. Спиртовая группа, показанная на миозине после дефосфорилирования, — это спирт на Ser-19.

Регулирование и здоровье человека

Регуляторные пути MLC-киназы были хорошо изучены, но до конца 1980-х годов предполагалось, что миозиновая фосфатаза не регулируется, а сокращение/расслабление полностью зависят от активности MLC-киназы. [2] Однако с 1980-х годов был обнаружен и тщательно исследован ингибирующий эффект rho-ассоциированной протеинкиназы. [11] RhoA GTP активирует Rho-киназу , которая фосфорилирует MYPT1 в двух основных ингибирующих сайтах, Thr-696 и Thr-866. [12] [13] Это полностью демонстрирует ценность MYPT1 не только для увеличения скорости реакции и специфичности, но и для значительного замедления реакции. Однако при добавлении телокина он эффективно отменяет эффект Rho-киназы, хотя и не дефосфорилирует MYPT1. [12]

Еще одна предложенная стратегия регулирования включает арахидоновую кислоту. Когда арахидоновая кислота добавляется к напряженной мышечной ткани, кислота снижает скорость дефосфорилирования (и, таким образом, расслабления) миозина. Однако неясно, как арахидоновая кислота действует как ингибитор . [ 4] Две конкурирующие теории заключаются в том, что либо арахидоновая кислота действует как со-мессенджер в каскаде rho-киназы, упомянутом выше, либо она связывается с c-концом MYPT1. [4]

Когда регуляторные системы фосфатазы миозина начинают давать сбой, могут возникнуть серьезные последствия для здоровья. Поскольку гладкие мышцы находятся в дыхательной, кровеносной и репродуктивной системах человека (а также в других местах), если гладкие мышцы больше не могут расслабляться из-за неправильной регуляции, то может возникнуть широкий спектр проблем, начиная от астмы , гипертонии и эректильной дисфункции . [4] [14]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcde Terrak, Mohammed; Kerff, Frederic; et al. (17 июня 2004 г.). «Структурная основа регуляции протеинфосфатазы 1». Nature . 429 (6993): 780–4. Bibcode :2004Natur.429..780T. doi : 10.1038/nature02582 . PMID  15164081.
  2. ^ abc Hartshorne, DJ; Ito, M (май 1998). "Фосфатаза легкой цепи миозина: состав субъединиц, взаимодействия и регулирование". J Muscle Res Cell Motil . 19 (4): 325–41. doi :10.1023/A:1005385302064. PMID  9635276. S2CID  27448238.
  3. ^ Страница 174 в: Сосудистая гладкомышечная клетка: молекулярные и биологические реакции на внеклеточный матрикс . Авторы: Стивен М. Шварц, Роберт П. Мечам. Редакторы: Стивен М. Шварц, Роберт П. Мечам. Соавторы: Стивен М. Шварц, Роберт П. Мечам. Издатель: Academic Press, 1995. ISBN 0-12-632310-0 , ISBN 978-0-12-632310-8  
  4. ^ abcd Webb, R. Clinton (ноябрь 2003 г.). «Сокращения и расслабления гладких мышц». Advances in Physiology Education . 27 (4): 201–6. doi :10.1152/advan.00025.2003. PMID  14627615.
  5. ^ Херли, Томас; Янг, Цзе; и др. (18 июля 2007 г.). «Структурная основа регуляции протеинфосфатазы 1 ингибитором-2». J. Biol. Chem . 282 (39): 28874–83. doi : 10.1074/jbc.m703472200 . PMID  17636256.
  6. ^ Cohen, Patricia TW (15 января 2002 г.). «Протеиновая фосфатаза 1, нацеленная во многих направлениях». J Cell Sci . 115 (2): 780–4. doi :10.1242/jcs.115.2.241. PMID  11839776.
  7. ^ Фудзиока, М.; Такахаши, Н. (1 апреля 1998 г.). «Новая изоформа человеческой миозинфосфатазной таргетинговой/регуляторной субъединицы (MYPT2): клонирование кДНК, тканевая экспрессия и хромосомное картирование». Геномика . 49 (1): 325–41. doi :10.1006/geno.1998.5222. PMID  9570949.
  8. ^ Gomperts, Bastein D. (19 августа 2009 г.). Signal Transduction: 2nd Edition. London: Academic Press. ISBN 978-0123694416.
  9. ^ Ши, Игун (30 октября 2009 г.). «Серин/треонин фосфатазы: механизм через структуру». Cell . 139 (3): 468–84. doi : 10.1016/j.cell.2009.10.006 . PMID  19879837. S2CID  13903804.
  10. ^ Ли, Эрнест YC; Чжан, Лифан; и др. (15 марта 1999 г.). «Фосфорилаза фосфатаза: новые горизонты для старого фермента». Frontiers in Bioscience . 4 (1–3): 270–85. doi : 10.2741/lee . PMID  10077543 . Получено 9 марта 2015 г. .
  11. ^ Ван, Юэпенг; Риддик, Надин; и др. (27 февраля 2009 г.). «ROCK-изоформная регуляция миозинфосфатазы и сократимости в сосудистых гладкомышечных клетках». Circ. Res . 104 (4): 531–40. doi : 10.1161/circresaha.108.188524. PMC 2649695. PMID  19131646. 
  12. ^ ab Хромов, ES; Момотани, K.; и др. (27 апреля 2012 г.). «Молекулярный механизм растормаживания фосфатазы легкой цепи миозина, опосредованного телокином, и релаксации гладких мышц желудочно-кишечного тракта, вызванной цАМФ/цГМФ». J Biol Chem . 287 (25): 20975–85. doi : 10.1074/jbc.m112.341479 . PMC 3375521. PMID  22544752 . 
  13. ^ Somlyo, Andrew P.; Somlyo, Avril V. (10 ноября 1999 г.). «Передача сигнала G-белками, Rho-киназой и протеинфосфатазой в гладкие мышцы и немышечный миозин II». Journal of Physiology . 522 (2): 177–85. doi :10.1111/j.1469-7793.2000.t01-2-00177.x. PMC 2269761 . PMID  10639096. 
  14. ^ Агилар, Гектор; Митчелл, Б.Ф. (7 мая 2010 г.). «Физиологические пути и молекулярные механизмы, регулирующие сократимость матки». Human Reproduction Update . 16 (6): 725–44. doi : 10.1093/humupd/dmq016 . PMID  20551073.

Дальнейшее чтение