В клеточной биологии , протеинкиназы ( РКА ) представляет собой семейство ферментов , активность которых зависит от клеточных уровней цАМФ (сАМР). ПКА также известна как цАМФ-зависимая протеинкиназа ( EC 2.7.11.11 ). PKA выполняет несколько функций в клетке, включая регулирование метаболизма гликогена , сахара и липидов .
цАМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А) | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | ||||||||
ЕС нет. | 2.7.11.11 | |||||||
№ CAS | 142008-29-5 | |||||||
Базы данных | ||||||||
IntEnz | Просмотр IntEnz | |||||||
BRENDA | BRENDA запись | |||||||
ExPASy | Просмотр NiceZyme | |||||||
КЕГГ | Запись в KEGG | |||||||
MetaCyc | метаболический путь | |||||||
ПРИАМ | профиль | |||||||
Структуры PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
|
История
Протеинкиназа А, более известная как аденозин-3 ', 5'-монофосфат (циклический АМФ) -зависимая протеинкиназа, сокращенно PKA, была открыта химиками Эдмондом Х. Фишером и Эдвином Кребсом в 1968 году. Они получили Нобелевскую премию. Доктор философии в области физиологии и медицины в 1992 году за их работу по фосфорилированию и дефосфорилированию и его связь с активностью PKA. [1]
PKA - одна из наиболее широко исследуемых протеинкиназ , отчасти из-за ее уникальности; Известно , что из 540 различных генов протеинкиназ, составляющих человеческий кином , только одна протеинкиназа, казеинкиназа 2 , существует в физиологическом тетрамерном комплексе, то есть состоит из четырех субъединиц. [2]
Разнообразие субъединиц PKA млекопитающих было осознано после того, как доктор Стэн Найт и другие идентифицировали четыре возможных гена каталитических субъединиц и четыре гена регуляторных субъединиц. В 1991 году Сьюзан Тейлор и его коллеги кристаллизовали субъединицу PKA Cα, которая впервые раскрыла двухлепестковую структуру ядра протеинкиназы, предоставив план для всех других протеинкиназ в геноме (киноме). [3]
Состав
В неактивном состоянии холофермент PKA существует в виде тетрамера, который состоит из двух регуляторных субъединиц и двух каталитических субъединиц. Каталитическая субъединица содержит активный сайт, серию 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 автоингибиторный домен. Есть две основные формы регуляторной субъединицы; РИ и РИИ. [4]
Клетки млекопитающих, по крайней мере , два типа PKAs: Тип I в основном в цитозоле , в то время как тип II , связываются с помощью своих регуляторных субъединиц и специальных анкерных белков, описанный в анкерной секции , к плазматической мембране , ядерной мембране , митохондриальной наружной мембране , и микротрубочки . В обоих типах, когда каталитические субъединицы освобождены и активны, они могут мигрировать в ядро (где они могут фосфорилировать регуляторные белки транскрипции), в то время как регуляторные субъединицы остаются в цитоплазме. [5]
Следующие гены человека кодируют субъединицы PKA:
Механизм
Активация
ПКА 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 по оценке интактных холоферментных комплексов, включая регуляторные сигнальные комплексы, связанные с AKAP, показали, 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 более высокие, чем обычно наблюдаемые в клетках, способны вызывать разделение холоферментов 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, связанным с G-белком (GPCR) на клетке-мишени. Когда GPCR активируется его внеклеточным лигандом, в рецепторе индуцируется конформационное изменение , которое передается прикрепленному внутриклеточному гетеротримерному G-белковому комплексу за счет динамики белкового домена . Гс альфа - субъединицы из стимулированной G белкового комплекса обменов ВВП для ГТФ в реакции , катализируемой GPCR и высвобождается из комплекса. Активированная субъединица Gs-альфа связывается и активирует фермент, называемый аденилилциклазой , который, в свою очередь, катализирует превращение АТФ в цАМФ, напрямую повышая уровень цАМФ. Четыре молекулы цАМФ способны связываться с двумя регуляторными субъединицами. Это достигается за счет связывания двух молекул цАМФ с каждым из двух сайтов связывания цАМФ (CNB-B и CNB-A), что вызывает конформационные изменения в регуляторных субъединицах PKA, в результате чего субъединицы отсоединяются и высвобождают две, теперь активированные, каталитические субъединицы. [8]
После высвобождения из 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 являются предметом других уровней регуляции, включая модуляцию термостабильным псевдосубстратным ингибитором PKA, называемым PKI. [7] [10]
Ниже приведен список шагов, необходимых для активации PKA:
- Цитозольный цАМФ увеличивается
- Две молекулы цАМФ связываются с каждой регуляторной субъединицей PKA.
- Регуляторные субъединицы выходят из активных центров каталитических субъединиц, и комплекс R2C2 диссоциирует.
- Свободные каталитические субъединицы взаимодействуют с белками, фосфорилируя остатки Ser или Thr.
Катализ
Освобожденные каталитические субъединицы могут затем катализируют перенос концевых фосфатов АТФ на белковых субстратов на серин или треонин остатков . Это фосфорилирование обычно приводит к изменению активности субстрата. Поскольку PKA присутствуют во множестве клеток и действуют на разные субстраты, регуляция PKA и регуляция цАМФ участвуют во многих различных путях.
Механизмы дальнейших эффектов можно разделить на прямое фосфорилирование белка и синтез белка:
- При прямом фосфорилировании белка PKA напрямую увеличивает или снижает активность белка.
- При синтезе белка PKA сначала непосредственно активирует CREB , который связывает элемент ответа цАМФ (CRE), изменяя транскрипцию и, следовательно, синтез белка. В общем, этот механизм требует больше времени (от часов до дней).
Механизм фосфорилирования
Остаток серина / треонина пептида-субстрата ориентирован таким образом, что гидроксильная группа обращена к гамма-фосфатной группе связанной молекулы АТФ. И субстрат, и АТФ, и два иона Mg2 + образуют интенсивные контакты с каталитической субъединицей PKA. В активной конформации С-спираль упаковывается против 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 на серин / треонин пептидного субстрата. Существует несколько консервативных остатков, включая глутамат (E) 91 и лизин (K) 72, которые опосредуют расположение альфа- и бета-фосфатных групп. Гидроксильная группа серина / треонина пептидного субстрата атакует гамма-фосфатную группу у фосфора посредством нуклеофильной реакции SN2, которая приводит к переносу концевого фосфата на пептидный субстрат и разрыву фосфодиэфирной связи между бета-фосфатом и гамма-фосфатные группы. PKA действует как модель для понимания биологии протеинкиназы , при этом положение консервативных остатков помогает различать активные протеинкиназы и неактивные члены псевдокиназы человеческого кинома.
Инактивация
Подавление протеинкиназы A происходит по механизму обратной связи с использованием ряда ферментов фосфодиэстеразы (PDE), гидролизующих цАМФ , которые относятся к субстратам, активируемым PKA. Фосфодиэстераза быстро превращает 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 аутофосфорилирования и фосфорилирования регуляторными киназами, такими как PDK1. [7]
Таким образом, PKA частично контролируется уровнями цАМФ . Кроме того, сама каталитическая субъединица может подавляться фосфорилированием.
Анкоридж
Димер регуляторной субъединицы PKA важен для локализации киназы внутри клетки. Домен димеризации и стыковки (D / D) димера связывается с доменом связывания A-киназы (AKB) якорного белка A-киназы (AKAP). AKAP локализуют PKA в различных местах (например, плазматической мембране, митохондриях и т. Д.) Внутри клетки.
AKAP связывают многие другие сигнальные белки, создавая очень эффективный сигнальный центр в определенном месте внутри клетки. Например, AKAP, расположенный рядом с ядром клетки сердечной мышцы, будет связывать как PKA, так и фосфодиэстеразу (гидролизует цАМФ), что позволяет клетке ограничивать продуктивность PKA, поскольку каталитическая субъединица активируется, как только цАМФ связывается с регуляторными субъединицами.
Функция
PKA фосфорилирует белки , в которых открыт 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 зависят от типа клетки :
Обзорная таблица
Тип ячейки | Система органов | Стимуляторы лиганды → G s - ингибиторы GPCR или PDE | Ингибиторы- лиганды → G i - стимуляторы GPCR или PDE | Эффекты |
---|---|---|---|---|
адипоцит |
|
| ||
миоцит ( скелетная мышца ) | мышечная система |
|
| |
миоцит ( сердечная мышца ) | сердечно-сосудистый |
|
| |
миоцит ( гладкая мышца ) | сердечно-сосудистый |
|
| Способствует расширению сосудов (фосфорилирует и тем самым инактивирует киназу легкой цепи миозина ) |
гепатоцит | печень |
|
| |
нейроны в прилежащем ядре | нервная система | дофамин → дофаминовый рецептор | Активировать систему вознаграждений | |
основные клетки в почках | почка |
|
| |
Толстая клетка восходящей конечности | почка | Вазопрессин → рецептор V2 | стимулировать симпортер Na-K-2Cl (возможно, лишь незначительный эффект) [14] | |
Клетка собирательного канальца коркового вещества | почка | Вазопрессин → рецептор V2 | стимулировать эпителиальный натриевый канал (возможно, лишь незначительный эффект) [14] | |
Клетка внутреннего мозгового собирательного протока | почка | Вазопрессин → рецептор V2 |
| |
клетка проксимального извитого канальца | почка | ПТГ → рецептор ПТГ 1 | Inhibit NHE3 → ↓ H + секреции [16] | |
юкстагломерулярная клетка | почка |
| секреция ренина |
В адипоцитах и гепатоцитах
Адреналин и глюкагон влияют на активность протеинкиназы А, изменяя уровни цАМФ в клетке через механизм G-белка с использованием аденилатциклазы . 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, таким образом подавляя липогенез и способствуя чистому глюконеогенезу . С другой стороны, инсулин снижает уровень фосфорилирования этих ферментов, что вместо этого способствует липогенезу. Напомним, что в миоцитах глюконеогенеза не происходит.
В прилежащем ядре нейронов
PKA помогает передавать / транслировать сигнал дофамина в клетки прилежащего ядра , что опосредует вознаграждение, мотивацию и важность задачи . Подавляющее большинство восприятия вознаграждения связано с активацией нейронов в прилежащем ядре, некоторые примеры которой включают секс, развлекательные наркотики и пищу. Путь передачи сигнала протеинкиназы А помогает регулировать потребление этанола и его седативный эффект. Исследование на мышах сообщает, что мыши с генетически сниженной передачей сигналов цАМФ-ПКА приводят к меньшему потреблению этанола и более чувствительны к его седативным эффектам. [18]
В скелетных мышцах
PKA направляется в определенные субклеточные местоположения после привязки к AKAP . Рецептор рианодина (RyR) локализуется совместно с AKAP в мышцах и фосфорилирование RyR, и отток Ca 2+ увеличивается за счет локализации PKA в RyR посредством AKAP. [19]
В сердечной мышце
В каскаде , опосредованной GPCR , известный как & beta ; 1 адренорецепторов , активированного катехоламинов ( в частности , норадреналин ), ПКА активируется и фосфорилирует многочисленные цели, а именно: кальциевые каналы L-типа , phospholamban , тропонин I , миозина связывание белка С , а также калиевые каналы . Это увеличивает инотропный , а также lusitropy , увеличивая сократительную силу, а также позволяет мышцам расслабиться быстрее. [20] [21]
В формировании памяти
ПКА всегда считалась важной в формировании памяти . У плодовой мушки снижение активности экспрессии DCO (гена, кодирующего каталитическую субъединицу PKA) может вызвать серьезные нарушения обучаемости, среднесрочной памяти и кратковременной памяти. Долговременная память зависит от фактора транскрипции CREB, регулируемого PKA. Исследование, проведенное на дрозофиле, показало, что увеличение активности PKA может повлиять на кратковременную 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
- Протеинкиназа
- Передача сигнала
- Рецептор, связанный с G-белком
- Серин / треонин-специфическая протеинкиназа
- Киназа легкой цепи миозина
- цАМФ-зависимый путь
Рекомендации
- ^ Knighton, DR; Чжэн, JH; Тен Эйк, LF; Xuong, NH; Тейлор, СС; Совадски, JM (1991-07-26). «Структура пептидного ингибитора, связанного с каталитической субъединицей циклической аденозинмонофосфат-зависимой протеинкиназы». Наука . 253 (5018): 414–420. DOI : 10.1126 / science.1862343 . ISSN 0036-8075 . PMID 1862343 .
- ^ Turnham, Rigney E .; Скотт, Джон Д. (15 февраля 2016 г.). «Протеинкиназа А изоформа каталитической субъединицы PRKACA; История, функции и физиология» . Джин . 577 (2): 101–108. DOI : 10.1016 / j.gene.2015.11.052 . PMC 4713328 . PMID 26687711 .
- ^ Manning, G .; Уайт, ДБ; Martinez, R .; Хантер, Т .; Сударшанам, С. (2002-12-06). «Комплемент протеинкиназы генома человека». Наука . 298 (5600): 1912–1934. DOI : 10.1126 / science.1075762 . ISSN 1095-9203 . PMID 12471243 .
- ^ Бауман А.Л., Скотт Дж. Д. (август 2002 г.). «Белки, заякоренные киназой и фосфатазой: использование динамического дуэта». Природа клеточной биологии . 4 (8): E203–6. DOI : 10.1038 / ncb0802-E203 . PMID 12149635 .
- ^ Альбертс, Брюс. Молекулярная биология клетки (Шестое изд.). Нью-Йорк. п. 835. ISBN 978-0-8153-4432-2. OCLC 887605755 .
- ^ а б Smith, FD; Esseltine, JL; Nygren, PJ; Veesler, D; Бирн, Д.П .; Vonderach, M; Страшнов, I; Эйерс, CE; Эйерс, Пенсильвания; Langeberg, LK; Скотт, JD (2017). «Действие местной протеинкиназы А происходит через интактные холоферменты» . Наука . 356 (6344): 1288–1293. DOI : 10.1126 / science.aaj1669 . PMC 5693252 . PMID 28642438 .
- ^ а б в Бирн, Д.П .; Vonderach, M; Паромы, S; Браунридж, П.Дж.; Эйерс, CE; Эйерс, Пенсильвания (2016). «Комплексы цАМФ-зависимой протеинкиназы (PKA), исследованные с помощью комплементарной дифференциальной сканирующей флуориметрии и масс-спектрометрии ионной подвижности» . Биохимический журнал . 473 (19): 3159–3175. DOI : 10.1042 / bcj20160648 . PMC 5095912 . PMID 27444646 .
- ^ Лодиш; и другие. (2016). «15.5». Молекулярная клеточная биология (8-е изд.). WH Freeman and Company. п. 701. ISBN. 978-1-4641-8339-3.
- ^ Voet, Voet & Pratt (2008). Основы биохимии , 3-е издание. Вайли. Стр. 432
- ^ Скотт, JD; Glaccum, МБ; Фишер, Э. Кребс, EG (1986). «Требования к первичной структуре для ингибирования термостабильным ингибитором цАМФ-зависимой протеинкиназы» . PNAS . 83 (6): 1613–1616. DOI : 10.1073 / pnas.83.6.1613 . PMC 323133 . PMID 3456605 .
- ^ «Субстраты PKA» . NIH .
- ^ а б в г д Позвонил в HP (2003). Фармакология . Эдинбург: Черчилль Ливингстон. ISBN 978-0-443-07145-4. Стр. Решебника 172
- ^ Родригес П., Краниас Э. Г. (декабрь 2005 г.). «Фосфоламбан: ключевой фактор сердечной функции и дисфункции». Archives des Maladies du Coeur et des Vaisseaux . 98 (12): 1239–43. PMID 16435604 .
- ^ а б в г д Бор WF, Boulpaep EL (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (обновленное издание). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Saunders. п. 842. ISBN 978-1-4160-2328-9.
- ^ Бор WF, Boulpaep EL (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (обновленное издание). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Saunders. п. 844. ISBN 978-1-4160-2328-9.
- ^ Бор WF, Boulpaep EL (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (обновленное издание). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Saunders. п. 852. ISBN. 978-1-4160-2328-9.
- ^ а б в г Бор WF, Boulpaep EL (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (обновленное издание). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Saunders. п. 867. ISBN 978-1-4160-2328-9.
- ^ Палочка, Гэри; Левин, Майкл; Цвайфель, Ларри; Швиндингер, Уильям; Абель, Тед (2001-07-15). «Путь передачи сигнала цАМФ-протеинкиназа А модулирует потребление этанола и седативные эффекты этанола» . Журнал неврологии . 21 (14): 5297–5303. DOI : 10.1523 / JNEUROSCI.21-14-05297.2001 . ISSN 0270-6474 . PMID 11438605 .
- ^ Ruehr, Mary L .; Рассел, Мэри А .; Фергюсон, Дональд Дж .; Бхат, Манджу; Ма, Цзяньцзе; Дамрон, Дерек С .; Скотт, Джон Д .; Бонд, Мередит (2003-07-04). «Нацеливание протеинкиназы A на белок, заякоренный киназой мышцы A (mAKAP), регулирует фосфорилирование и функцию рецептора рианодина в скелетных мышцах» . Журнал биологической химии . 278 (27): 24831–24836. DOI : 10.1074 / jbc.M213279200 . ISSN 0021-9258 . PMID 12709444 .
- ^ Шах, Аджай М .; Соларо, Р. Джон; Лейланд, Джоанн (1 апреля 2005 г.). «Регулирование сократительной функции сердца путем фосфорилирования тропонина I» . Сердечно-сосудистые исследования . 66 (1): 12–21. DOI : 10.1016 / j.cardiores.2004.12.022 . ISSN 0008-6363 . PMID 15769444 .
- ^ Boron, Walter F .; Боулпаэп, Эмиль Л. (2012). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход . Борон, Вальтер Ф. ,, Боулпаеп, Эмиль Л. (Обновлено второе издание). Филадельфия, Пенсильвания. ISBN 9781437717532. OCLC 756281854 .
- ^ Хориучи, Дзюнджиро; Ямазаки, Дайсуке; Наганос, Синтаро; Айгаки, Тоширо; Сайтоэ, Минору (30 декабря 2008 г.). «Протеинкиназа А подавляет консолидированную форму памяти у дрозофилы» . Труды Национальной академии наук . 105 (52): 20976–20981. DOI : 10.1073 / pnas.0810119105 . ISSN 0027-8424 . PMC 2634933 . PMID 19075226 .
Внешние ссылки
- Циклические + AMP-зависимые + протеин + киназы в Национальных медицинских предметных рубриках США (MeSH)
- ЦАМФ-зависимая протеинкиназа 1 дрозофилы - The Interactive Fly
- цАМФ-зависимая протеинкиназа: молекула месяца PDB
- Обзор всей структурной информации, доступной в PDB для UniProt : P25321 (альфа-каталитическая субъединица цАМФ-зависимой протеинкиназы) в PDBe-KB .