stringtranslate.com

Протеинкиназа А

В клеточной биологии протеинкиназа А ( ПКА ) представляет собой семейство серин-треониновых киназ [1], активность которых зависит от клеточных уровней циклического АМФ (цАМФ). ПКА также известна как цАМФ-зависимая протеинкиназа ( КФ 2.7.11.11). ПКА имеет несколько функций в клетке, включая регуляцию метаболизма гликогена , сахара и липидов . Ее не следует путать с 5'- АМФ-активируемой протеинкиназой ( АМФ-активируемой протеинкиназой ).

История

Протеинкиназа А, более точно известная как аденозин-3',5'-монофосфат (циклический АМФ)-зависимая протеинкиназа, сокращенно ПКА, была открыта химиками Эдмондом Х. Фишером и Эдвином Г. Кребсом в 1968 году. Они получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1992 году за свою работу по фосфорилированию и дефосфорилированию и тому, как это связано с активностью ПКА. [2]

PKA является одной из наиболее широко исследованных протеинкиназ , отчасти из-за ее уникальности; из 540 различных генов протеинкиназ, составляющих человеческий кином , только одна другая протеинкиназа, казеинкиназа 2 , известна тем, что существует в физиологическом тетрамерном комплексе, то есть она состоит из четырех субъединиц. [1]

Разнообразие субъединиц PKA млекопитающих было осознано после того, как доктор Стэн Макнайт и другие идентифицировали четыре возможных гена каталитической субъединицы и четыре гена регуляторной субъединицы. В 1991 году Сьюзан Тейлор и ее коллеги кристаллизовали субъединицу PKA Cα, что впервые выявило двухдольную структуру ядра протеинкиназы, предоставив схему для всех других протеинкиназ в геноме (киноме). [3]

Структура

В неактивном состоянии апофермент PKA существует в виде тетрамера, состоящего из двух регуляторных субъединиц и двух каталитических субъединиц. Каталитическая субъединица содержит активный сайт, ряд канонических остатков, обнаруженных в протеинкиназах , которые связывают и гидролизуют АТФ , и домен для связывания регуляторной субъединицы. Регуляторная субъединица имеет домены для связывания с циклическим АМФ, домен, который взаимодействует с каталитической субъединицей, и аутоингибиторный домен. Существуют две основные формы регуляторной субъединицы: RI и RII. [4]

Клетки млекопитающих имеют по крайней мере два типа PKA: тип I в основном находится в цитозоле , тогда как тип II связан через свои регуляторные субъединицы и специальные якорные белки, описанные в разделе о якоре, с плазматической мембраной , ядерной мембраной , митохондриальной внешней мембраной и микротрубочками . В обоих типах, как только каталитические субъединицы освобождаются и становятся активными, они могут мигрировать в ядро ​​(где они могут фосфорилировать транскрипционные регуляторные белки), в то время как регуляторные субъединицы остаются в цитоплазме. [5]

Следующие гены человека кодируют субъединицы PKA:

Механизм

Обзор: Механизмы активации и инактивации PKA

Активация

PKA также широко известна как цАМФ-зависимая протеинкиназа, поскольку традиционно считалось, что она активируется посредством высвобождения каталитических субъединиц, когда уровни второго мессенджера, называемого циклическим аденозинмонофосфатом , или цАМФ, повышаются в ответ на различные сигналы. Однако недавние исследования, оценивающие интактные комплексы голоферментов, включая регуляторные сигнальные комплексы, связанные с AKAP, предположили, что локальная субклеточная активация каталитической активности PKA может происходить без физического разделения регуляторных и каталитических компонентов, особенно при физиологических концентрациях цАМФ. [6] [7] Напротив, экспериментально индуцированные сверхфизиологические концентрации цАМФ, то есть выше, чем обычно наблюдаемые в клетках, способны вызывать разделение голоферментов и высвобождение каталитических субъединиц. [6]

Внеклеточные гормоны, такие как глюкагон и адреналин , начинают внутриклеточный сигнальный каскад, который запускает активацию протеинкиназы А, сначала связываясь с рецептором, сопряженным с G-белком (GPCR) на клетке-мишени. Когда GPCR активируется своим внеклеточным лигандом, в рецепторе индуцируется конформационное изменение , которое передается прикрепленному внутриклеточному гетеротримерному комплексу G-белка посредством динамики белкового домена . Субъединица Gs-альфа стимулированного комплекса G-белка обменивает GDP на GTP в реакции, катализируемой GPCR, и высвобождается из комплекса. Активированная субъединица Gs-альфа связывается с ферментом, называемым аденилатциклазой , и активирует его, который, в свою очередь, катализирует превращение АТФ в цАМФ, напрямую повышая уровень цАМФ. Четыре молекулы цАМФ способны связываться с двумя регуляторными субъединицами. Это происходит за счет связывания двух молекул цАМФ с каждым из двух участков связывания цАМФ (CNB-B и CNB-A), что вызывает конформационное изменение в регуляторных субъединицах PKA, заставляя субъединицы отсоединяться и высвобождать две, теперь уже активированные, каталитические субъединицы. [8]

После освобождения от ингибирующей регуляторной субъединицы каталитические субъединицы могут продолжать фосфорилировать ряд других белков в минимальном субстратном контексте Arg-Arg-X-Ser/Thr., [9] хотя они все еще подвержены другим уровням регуляции, включая модуляцию термостабильным псевдосубстратным ингибитором PKA, называемым PKI. [7] [10]

Ниже приведен список шагов, необходимых для активации PKA:

  1. Цитозольный цАМФ увеличивается
  2. Две молекулы цАМФ связываются с каждой регуляторной субъединицей PKA
  3. Регуляторные субъединицы выходят из активных центров каталитических субъединиц, и комплекс R2C2 диссоциирует.
  4. Свободные каталитические субъединицы взаимодействуют с белками, фосфорилируя остатки Ser или Thr.

Катализ

Освобожденные каталитические субъединицы затем могут катализировать перенос концевых фосфатов АТФ на белковые субстраты на сериновых или треониновых остатках . Это фосфорилирование обычно приводит к изменению активности субстрата. Поскольку PKA присутствуют в различных клетках и действуют на различные субстраты, регуляция PKA и регуляция цАМФ участвуют во многих различных путях.

Механизмы дальнейшего воздействия можно разделить на прямое фосфорилирование белков и синтез белков:

Механизм фосфорилирования

Остаток серина/треонина субстратного пептида ориентирован таким образом, что гидроксильная группа обращена к гамма-фосфатной группе связанной молекулы АТФ. Как субстрат, АТФ, так и два иона Mg2+ образуют интенсивные контакты с каталитической субъединицей PKA. В активной конформации спираль C упаковывается напротив N-концевой доли, а остаток аспартата консервативного мотива DFG хелатирует ионы Mg2+, помогая позиционировать субстрат АТФ. Трифосфатная группа АТФ указывает из аденозинового кармана для переноса гамма-фосфата к серину/треонину пептидного субстрата. Существует несколько консервативных остатков, включая глутамат (E) 91 и лизин (K) 72, которые опосредуют позиционирование альфа- и бета-фосфатных групп. Гидроксильная группа серина/треонина пептидного субстрата атакует гамма-фосфатную группу на фосфоре посредством нуклеофильной реакции SN2, что приводит к переносу терминального фосфата на пептидный субстрат и расщеплению фосфодиэфирной связи между бета-фосфатной и гамма-фосфатной группами. PKA выступает в качестве модели для понимания биологии протеинкиназы , при этом положение консервативных остатков помогает различать активные протеинкиназы и неактивные псевдокиназы, входящие в состав человеческого кинома.

Инактивация

лагерь

Понижение регуляции протеинкиназы А происходит по механизму обратной связи и использует ряд ферментов цАМФ, гидролизующих фосфодиэстеразу (ФДЭ), которые относятся к субстратам, активируемым PKA. Фосфодиэстераза быстро преобразует цАМФ в АМФ, тем самым уменьшая количество цАМФ, которое может активировать протеинкиназу А. PKA также регулируется сложной серией событий фосфорилирования, которые могут включать модификацию путем автофосфорилирования и фосфорилирования регуляторными киназами, такими как PDK1. [7]

Таким образом, PKA частично контролируется уровнями цАМФ . Кроме того, сама каталитическая субъединица может быть подавлена ​​фосфорилированием.

Анкоридж

Регуляторный субъединичный димер PKA важен для локализации киназы внутри клетки. Домен димеризации и стыковки (D/D) димера связывается с доменом связывания A-киназы (AKB) белка-якоря A-киназы (AKAP). AKAP локализуют PKA в различных местах (например, плазматическая мембрана, митохондрии и т. д.) внутри клетки.

AKAP связывают множество других сигнальных белков, создавая очень эффективный сигнальный узел в определенном месте внутри клетки. Например, AKAP, расположенный около ядра клетки сердечной мышцы, связывает как PKA, так и фосфодиэстеразу (гидролизует цАМФ), что позволяет клетке ограничивать производительность PKA, поскольку каталитическая субъединица активируется, как только цАМФ связывается с регуляторными субъединицами.

Функция

PKA фосфорилирует белки , которые имеют мотив Аргинин-Аргинин-X-Серин, в свою очередь (де)активируя белки. Существует много возможных субстратов PKA; список таких субстратов доступен и поддерживается NIH . [ 11]

Поскольку экспрессия белка варьируется от типа клетки к типу клетки, белки, доступные для фосфорилирования, будут зависеть от клетки, в которой присутствует PKA. Таким образом, эффекты активации PKA различаются в зависимости от типа клетки :

Обзорная таблица

В адипоцитах и ​​гепатоцитах

Адреналин и глюкагон влияют на активность протеинкиназы А, изменяя уровни цАМФ в клетке через механизм G-белка, используя аденилатциклазу . Протеинкиназа А фосфорилирует многие ферменты, важные для метаболизма. Например, протеинкиназа А фосфорилирует ацетил-КоА-карбоксилазу и пируватдегидрогеназу . Такая ковалентная модификация оказывает ингибирующее действие на эти ферменты, тем самым ингибируя липогенез и способствуя чистому глюконеогенезу . Инсулин, с другой стороны, снижает уровень фосфорилирования этих ферментов, что вместо этого способствует липогенезу. Напомним, что глюконеогенез не происходит в миоцитах.

В нейронах прилежащего ядра

PKA помогает передавать/транслировать сигнал дофамина в клетки в прилежащем ядре , что опосредует вознаграждение, мотивацию и значимость задачи . Подавляющее большинство восприятия вознаграждения включает нейронную активацию в прилежащем ядре, некоторые примеры которой включают секс, рекреационные наркотики и еду. Путь передачи сигнала протеинкиназы A помогает в модуляции потребления этанола и его седативных эффектов. Исследование на мышах сообщает, что мыши с генетически сниженной сигнализацией цАМФ-PKA приводят к меньшему потреблению этанола и более чувствительны к его седативным эффектам. [18]

В скелетных мышцах

PKA направляется в определенные субклеточные области после связывания с AKAP . Рианодиновый рецептор (RyR) локализуется совместно с мышечным AKAP, и фосфорилирование RyR и отток Ca 2+ увеличиваются за счет локализации PKA в RyR с помощью AKAP. [19]

В сердечной мышце

В каскаде, опосредованном GPCR , известным как β 1 адренорецептор , активируемом катехоламинами (в частности, норадреналином ), PKA активируется и фосфорилирует многочисленные мишени, а именно: кальциевые каналы L-типа , фосфоламбан , тропонин I , миозин-связывающий белок C и калиевые каналы . Это увеличивает инотропию , а также лузитропию , увеличивая силу сокращения, а также позволяя мышцам быстрее расслабляться. [20] [21]

В формировании памяти

PKA всегда считалась важной для формирования памяти . У плодовой мушки снижение активности экспрессии DCO (гена, кодирующего каталитическую субъединицу PKA) может вызвать серьезные нарушения обучения, среднесрочной памяти и краткосрочной памяти. Долгосрочная память зависит от фактора транскрипции CREB, регулируемого PKA. Исследование, проведенное на дрозофиле, показало, что увеличение активности PKA может влиять на краткосрочную память. Однако снижение активности PKA на 24% подавляло способность к обучению, а снижение на 16% влияло как на способность к обучению, так и на сохранение памяти. Формирование нормальной памяти очень чувствительно к уровням PKA. [22]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Turnham, Rigney E.; Scott, John D. (2016-02-15). "Протеинкиназа A каталитическая субъединица изоформа PRKACA; История, функция и физиология". Gene . 577 (2): 101–108. doi :10.1016/j.gene.2015.11.052. PMC  4713328 . PMID  26687711.
  2. ^ Knighton, DR; Zheng, JH; Ten Eyck, LF; Xuong, NH; Taylor, SS; Sowadski, JM (1991-07-26). «Структура пептидного ингибитора, связанного с каталитической субъединицей циклической аденозинмонофосфат-зависимой протеинкиназы». Science . 253 (5018): 414–420. Bibcode :1991Sci...253..414K. doi :10.1126/science.1862343. ISSN  0036-8075. PMID  1862343.
  3. ^ Manning, G.; Whyte, DB; Martinez, R.; Hunter, T.; Sudarsanam, S. (2002-12-06). «Протеинкиназный комплемент геному человека». Science . 298 (5600): 1912–1934. Bibcode :2002Sci...298.1912M. doi :10.1126/science.1075762. ISSN  1095-9203. PMID  12471243. S2CID  26554314.
  4. ^ Bauman AL, Scott JD (август 2002 г.). «Киназа- и фосфатаза-закрепляющие белки: использование динамического дуэта». Nature Cell Biology . 4 (8): E203–6. doi :10.1038/ncb0802-e203. PMID  12149635. S2CID  1276537.
  5. ^ Альбертс, Брюс (18 ноября 2014 г.). Молекулярная биология клетки (шестое изд.). Нью-Йорк. С. 835. ISBN 978-0-8153-4432-2. OCLC  887605755.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  6. ^ ab Smith, FD; Esseltine, JL; Nygren, PJ; Veesler, D; Byrne, DP; Vonderach, M; Strashnov, I; Eyers, CE; Eyers, PA; Langeberg, LK; Scott, JD (2017). «Локальное действие протеинкиназы A осуществляется через интактные голоферменты». Science . 356 (6344): 1288–1293. Bibcode :2017Sci...356.1288S. doi :10.1126/science.aaj1669. PMC 5693252 . PMID  28642438. 
  7. ^ abc Byrne, DP; Vonderach, M; Ferries, S; Brownridge, PJ; Eyers, CE; Eyers, PA (2016). «комплексы цАМФ-зависимой протеинкиназы (PKA), исследованные с помощью комплементарной дифференциальной сканирующей флуориметрии и масс-спектрометрии подвижности ионов». Biochemical Journal . 473 (19): 3159–3175. doi :10.1042/bcj20160648. PMC 5095912 . PMID  27444646. 
  8. ^ Lodish; et al. (2016). "15.5". Молекулярная клеточная биология (8-е изд.). WH Freeman and Company. стр. 701. ISBN 978-1-4641-8339-3.
  9. ^ Voet, Voet & Pratt (2008). Основы биохимии , 3-е издание. Wiley. С. 432
  10. ^ Скотт, Дж. Д.; Глэккум, М. Б.; Фишер, Э. Х.; Кребс, Э. Г. (1986). «Требования к первичной структуре для ингибирования термостабильным ингибитором цАМФ-зависимой протеинкиназы». PNAS . 83 (6): 1613–1616. Bibcode :1986PNAS...83.1613S. doi : 10.1073/pnas.83.6.1613 . PMC 323133 . PMID  3456605. 
  11. ^ "Субстраты PKA". NIH .
  12. ^ abcde Rang HP (2003). Фармакология . Эдинбург: Черчилль Ливингстон. ISBN 978-0-443-07145-4.Страница 172
  13. ^ Родригес П., Краниас Э.Г. (декабрь 2005 г.). «Фосфоламбан: ключевой фактор, определяющий сердечную функцию и дисфункцию». Архивы болезней сердца и Vaisseaux . 98 (12): 1239–43. ПМИД  16435604.
  14. ^ abcde Boron WF, Boulpaep EL (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (обновленное издание). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Saunders. стр. 842. ISBN 978-1-4160-2328-9.
  15. ^ Борон В.Ф., Булпаеп Э.Л. (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (обновленное издание). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Saunders. стр. 844. ISBN 978-1-4160-2328-9.
  16. ^ Борон В.Ф., Булпаеп Э.Л. (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (обновленное издание). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Saunders. стр. 852. ISBN 978-1-4160-2328-9.
  17. ^ abcd Boron WF, Boulpaep EL (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (обновленное издание). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Saunders. стр. 867. ISBN 978-1-4160-2328-9.
  18. ^ Ванд, Гэри; Левин, Майкл; Цвайфель, Ларри; Швиндингер, Уильям; Абель, Тед (15 июля 2001 г.). «Путь передачи сигнала цАМФ–протеинкиназы А модулирует потребление этанола и седативные эффекты этанола». Журнал нейронауки . 21 (14): 5297–5303. doi : 10.1523/JNEUROSCI.21-14-05297.2001 . ISSN  0270-6474. PMC 6762861. PMID 11438605  . 
  19. ^ Рюр, Мэри Л.; Рассел, Мэри А.; Фергюсон, Дональд Г.; Бхат, Манджу; Ма, Цзяньцзе; Дамрон, Дерек С.; Скотт, Джон Д.; Бонд, Мередит (2003-07-04). «Нацеливание протеинкиназы А с помощью белка, закрепляющего мышечную киназу А (mAKAP), регулирует фосфорилирование и функцию рианодинового рецептора скелетных мышц». Журнал биологической химии . 278 (27): 24831–24836. doi : 10.1074/jbc.M213279200 . ISSN  0021-9258. PMID  12709444.
  20. ^ Шах, Аджай М.; Соларо, Р. Джон; Лейланд, Джоанн (2005-04-01). «Регуляция сократительной функции сердца фосфорилированием тропонина I». Cardiovascular Research . 66 (1): 12–21. doi : 10.1016/j.cardiores.2004.12.022 . ISSN  0008-6363. PMID  15769444.
  21. ^ Борон, Уолтер Ф.; Бульпаеп, Эмиль Л. (2012). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход . Борон, Уолтер Ф., Бульпаеп, Эмиль Л. (Обновленное второе издание). Филадельфия, Пенсильвания. ISBN 9781437717532. OCLC  756281854.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  22. ^ Хориучи, Дзюндзиро; Ямазаки, Дайсуке; Наганос, Синтаро; Айгаки, Тоширо; Сайтоэ, Минору (2008-12-30). «Протеинкиназа А ингибирует консолидированную форму памяти у дрозофилы». Труды Национальной академии наук . 105 (52): 20976–20981. Bibcode : 2008PNAS..10520976H. doi : 10.1073/pnas.0810119105 . ISSN  0027-8424. PMC 2634933. PMID 19075226  . 

Внешние ссылки

Примечания