Протеинкиназа А - Protein kinase A

Эта статья про фермент. Для константы диссоциации pKа, видеть константа диссоциации кислоты. Для использования в других целях см. PKA.
«цАМФ-зависимая протеинкиназа» перенаправляется сюда. Не следует путать с АМФ-активированная протеинкиназа или же циклин-зависимые киназы.
цАМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А)
Идентификаторы
Номер ЕС2.7.11.11
Количество CAS142008-29-5
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum

В клеточная биология, протеинкиназа А (PKA) - это семья ферменты чья активность зависит от клеточных уровней циклический AMP (лагерь). PKA также известен как цАМФ-зависимая протеинкиназа (EC 2.7.11.11 ). PKA выполняет несколько функций в клетке, включая регуляцию гликоген, сахар, и липид метаболизм.

История

Протеинкиназа A, более известная как аденозин-3 ', 5'-монофосфат (циклический АМФ) -зависимая протеинкиназа, сокращенно PKA, была открыта химиками. Эдмонд Х. Фишер и Эдвин Г. Кребс в 1968 году. Они выиграли Нобелевская премия по физиологии и медицине в 1992 г. за их работу по фосфорилированию и дефосфорилированию и как это связано с активностью PKA.[1]

PKA - один из наиболее широко исследуемых протеинкиназы, отчасти из-за его уникальности; из 540 различных генов протеинкиназ, составляющих человеческий киноме, только еще одна протеинкиназа, казеин киназа 2, как известно, существует в физиологическом тетрамерном комплексе, что означает, что он 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 др. кристаллизовал субъединицу PKA Cα, которая впервые выявила двухлепестковую структуру ядра протеинкиназы, предоставив план для всех других протеинкиназ в геноме (киноме).[3]

Структура

В неактивном состоянии холофермент ПКА существует в виде тетрамера, состоящего из двух регуляторных подразделения и две каталитические субъединицы. Каталитическая субъединица содержит активный центр, серию канонических остатков, обнаруженных в протеинкиназы связывающие и гидролизующие 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 имеют как минимум два типа PKA: тип I в основном находится в цитозоль, тогда как тип II связывается через свои регуляторные субъединицы и специальные якорные белки, описанные в якорная секция, в плазматическая мембрана, ядерная мембрана, митохондриальная наружная мембрана, и микротрубочки. В обоих типах, как только 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 человеческие гены кодируют субъединицы PKA:

  • каталитическая субъединица - PRKACA, PRKACB, PRKACG
  • регуляторная субъединица I типа - PRKAR1A, PRKAR1B
  • регуляторная субъединица II типа - PRKAR2A, PRKAR2B

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 второй посланник называется циклический аденозинмонофосфат, или цАМФ, повышаются в ответ на множество сигналов. 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, запускают внутриклеточный сигнальный каскад, который запускает активацию протеинкиназы A, сначала связываясь с Рецептор, связанный с G-белком (GPCR) в целевой ячейке. Когда GPCR активируется его внеклеточным лигандом, конформационное изменение индуцируется в рецепторе, который передается прикрепленному внутриклеточному комплекс гетеротримерных белков G к динамика домена белка. В Альфа-субъединица Gs стимулированных обменов комплекса G-белка ВВП за GTP в реакции, катализируемой GPCR, и высвобождается из комплекса. Активированная альфа-субъединица Gs связывается и активирует фермент, называемый аденилилциклаза, что, 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 переходить к фосфорилат ряд других белков в минимальном субстратном контексте Arg-Arg-X-Ser / Thr.,[9] хотя они по-прежнему подвергаются другим уровням регуляции, включая модуляцию термостабильным псевдосубстратным ингибитором PKA, называемым PKI.[7][10]

Ниже приведен список шагов, необходимых для активации PKA:

  1. Цитозольный лагерь 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

Освободившиеся каталитические субъединицы могут затем катализировать перенос концевых фосфатов АТФ в белок субстраты в серин, или же треонин остатки. Этот 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 ПКА сначала непосредственно активирует CREB, который связывает элемент ответа cAMP (CRE), изменяя транскрипция и, следовательно, синтез белка. Как правило, этот механизм требует больше времени (от часов до дней).

Механизм фосфорилирования

Остаток серин / треонин 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 выступает в качестве модели для понимания протеинкиназа биологии, при этом положение консервативных остатков помогает отличить активные протеинкиназа и неактивный псевдокиназа члены человеческого кинома.

Инактивация

лагерь

Подавление протеинкиназы А происходит по механизму обратной связи и использует ряд гидролизов цАМФ. фосфодиэстераза (PDE) ферменты, 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 лагерь. 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) Якорный белок А-киназы (АКАП). 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, когда цАМФ связывается с регуляторными субъединицами.

Функция

Фосфорилаты PKA белки которые имеют экспонированный мотив аргинин-аргинин-X-серин, в свою очередь (де) активирующий белки. Существует много возможных субстратов PKA; список таких подложек доступен и поддерживается Национальные институты здравоохранения США.[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 варьируются в зависимости от тип ячейки:

Обзорная таблица

Тип ячейкиСистема органовСтимуляторы
лиганды → граммs -GPCR
или же Ингибиторы ФДЭ		Ингибиторы
лиганды → граммя -GPCR
или же PDE стимуляторы		Последствия
адипоцит
миоцит (скелетные мышцы )мышечная система
миоцит (сердечная мышца )сердечно-сосудистый
миоцит (гладкая мышца )сердечно-сосудистыйСпособствует расширение сосудов (фосфорилирует и тем самым инактивирует, Киназа легкой цепи миозина )
гепатоцитпечень
нейроны в прилежащее ядронервная системадофамин → дофаминовый рецепторАктивировать система вознаграждений
основные ячейки в почкапочка
Толстая клетка восходящей конечностипочкаВазопрессин → Рецептор V2стимулировать Симпортер Na-K-2Cl (возможно, лишь незначительный эффект)[14]
Клетка собирательных канальцев корыпочкаВазопрессин → Рецептор V2стимулировать Эпителиальный натриевый канал (возможно, лишь незначительный эффект)[14]
Клетка внутреннего мозгового собирательного протокапочкаВазопрессин → Рецептор V2
клетка проксимального извитого канальцапочкаПТГ → Рецептор ПТГ 1Запретить NHE3 → ↓ H+ секреция[16]
юкстагломерулярная клеткапочкаренин секреция

В адипоцитах и ​​гепатоцитах

Адреналин и глюкагон влиять на активность протеинкиназы А, изменяя уровни цАМФ в клетке через механизм G-белка, используя аденилатциклаза. Протеинкиназа А фосфорилирует многие ферменты, важные для метаболизма. Например, протеинкиназа А фосфорилирует ацетил-КоА карбоксилаза и пируватдегидрогеназа. Такая ковалентная модификация оказывает ингибирующее действие на эти ферменты, таким образом подавляя липогенез и продвижение сети глюконеогенез. Инсулин, с другой стороны, снижает уровень фосфорилирования этих ферментов, что вместо этого способствует липогенезу. Напомним, что в миоцитах глюконеогенеза не происходит.

В прилежащем ядре нейронов

PKA помогает передавать / переводить дофамин сигнал в клетки в прилежащее ядро, который обеспечивает вознаграждение, мотивацию и важность задачи. Подавляющее большинство восприятия вознаграждения включает активацию 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) совместно локализуется с мышечным AKAP, фосфорилированием RyR и оттоком Ca2+ увеличивается при локализации PKA в RyR с помощью AKAP.[19]

В сердечной мышце

В каскаде, опосредованном GPCR известный как β1 адренорецептор, активируется катехоламины (особенно норэпинефрин ), PKA активируется и фосфорилирует множество мишеней, а именно: Кальциевые каналы L-типа, фосфоламбан, тропонин I, миозин-связывающий белок C, и калиевые каналы. Это увеличивает инотропия а также лузитропия, увеличивая силу сокращения, а также позволяя мышцам быстрее расслабиться.[20][21]

В формировании памяти

PKA всегда считалась важной в формировании объем памяти. в плодовая муха, снижение активности экспрессии DCO (гена, кодирующего каталитическую субъединицу PKA) может вызвать серьезные нарушения обучаемости, среднесрочной памяти и краткосрочной памяти. Долгосрочная 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% ингибировало способность к обучению, а снижение на 16% повлияло как на способность к обучению, так и на сохранение памяти. Формирование нормальной памяти очень чувствительно к уровням PKA.[22]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Knighton, D. R .; Zheng, J. H .; Ten Eyck, L. F .; Xuong, N.H .; Тейлор, С. С .; Совадски, Дж. М. (1991-07-26). «Структура пептидного ингибитора, связанного с каталитической субъединицей циклической аденозинмонофосфат-зависимой протеинкиназы». Наука. 253 (5018): 414–420. Дои:10.1126 / science.1862343. ISSN  0036-8075. PMID  1862343.
  2. ^ Turnham, Rigney E .; Скотт, Джон Д. (15.02.2016). «Изоформа каталитической субъединицы протеинкиназы А PRKACA; история, функции и физиология». Ген. 577 (2): 101–108. Дои:10.1016 / j.gene.2015.11.052. ЧВК  4713328. PMID  26687711.
  3. ^ Manning, G .; Уайт, Д. Б.; Martinez, R .; Хантер, Т .; Сударшанам, С. (2002-12-06). «Комплемент протеинкиназы генома человека». Наука. 298 (5600): 1912–1934. Дои:10.1126 / science.1075762. ISSN  1095-9203. PMID  12471243.
  4. ^ Бауман А.Л., Скотт Дж. Д. (август 2002 г.). «Белки, заякоренные киназой и фосфатазой: использование динамического дуэта». Природа клеточной биологии. 4 (8): E203–6. Дои:10.1038 / ncb0802-e203. PMID  12149635.
  5. ^ Альбертс, Брюс. Молекулярная биология клетки (Шестое изд.). Нью-Йорк. п. 835. ISBN  978-0-8153-4432-2. OCLC  887605755.
  6. ^ 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 осуществляется за счет интактных холоферментов». Наука. 356 (6344): 1288–1293. Дои:10.1126 / science.aaj1669. ЧВК  5693252. PMID  28642438.
  7. ^ а б c 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. Дои:10.1042 / bcj20160648. ЧВК  5095912. PMID  27444646.
  8. ^ Лодиш; и другие. (2016). «15.5». Молекулярная клеточная биология (8-е изд.). W.H. Фримен и компания. п. 701. ISBN  978-1-4641-8339-3.
  9. ^ Воет, Воет и Пратт (2008). Основы биохимии, 3-е издание. Вайли. Страница 432
  10. ^ Скотт, JD; Glaccum, МБ; Фишер, EH; Кребс, EG (1986). «Требования к первичной структуре для ингибирования термостабильным ингибитором цАМФ-зависимой протеинкиназы». PNAS. 83 (6): 1613–1616. Дои:10.1073 / pnas.83.6.1613. ЧВК  323133. PMID  3456605.
  11. ^ «Субстраты PKA». Национальные институты здравоохранения США.
  12. ^ а б c d е Позвонил в HP (2003). Фармакология. Эдинбург: Черчилль Ливингстон. ISBN  978-0-443-07145-4. Стр. Решебника 172
  13. ^ Родригес П., Краниас Э. Г. (декабрь 2005 г.). «Фосфоламбан: ключевой фактор, определяющий сердечную функцию и дисфункцию». Archives des Maladies du Coeur et des Vaisseaux. 98 (12): 1239–43. PMID  16435604.
  14. ^ а б c d е Бор WF, Boulpaep EL (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (Обновленная ред.). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Saunders. п. 842. ISBN  978-1-4160-2328-9.
  15. ^ Бор WF, Boulpaep EL (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (Обновленная ред.). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Saunders. п. 844. ISBN  978-1-4160-2328-9.
  16. ^ Бор WF, Boulpaep EL (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (Обновленная ред.). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Saunders. п. 852. ISBN  978-1-4160-2328-9.
  17. ^ а б c d Бор WF, Boulpaep EL (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (Обновленная ред.). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier Saunders. п. 867. ISBN  978-1-4160-2328-9.
  18. ^ 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. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.21-14-05297.2001. ISSN  0270-6474. PMID  11438605.
  19. ^ 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 на протеинкиназу А с помощью белка, заякоренного в киназе А в мышцах (mAKAP), регулирует фосфорилирование и функцию рецептора рианодина в скелетных мышцах». Журнал биологической химии. 278 (27): 24831–24836. Дои:10.1074 / jbc.M213279200. ISSN  0021-9258. PMID  12709444.
  20. ^ Шах, Аджай М .; Соларо, Р. Джон; Лейланд, Джоанн (1 апреля 2005 г.). «Регулирование сократительной функции сердца за счет фосфорилирования тропонина I». Сердечно-сосудистые исследования. 66 (1): 12–21. Дои:10.1016 / j.cardiores.2004.12.022. ISSN  0008-6363. PMID  15769444.
  21. ^ Boron, Walter F .; Боулпаэп, Эмиль Л. (2012). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход. Борон, Уолтер Ф. ,, Боулпаеп, Эмиль Л. (Обновлено второе издание). Филадельфия, Пенсильвания. ISBN  9781437717532. OCLC  756281854.
  22. ^ 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. Дои:10.1073 / pnas.0810119105. ISSN  0027-8424. ЧВК  2634933. PMID  19075226.

внешняя ссылка

Примечания