Протеинкиназа А
цАМФ-зависимая протеинкиназа (протеинкиназа А) | |||
---|---|---|---|
![]() Гетеро12мер цАМФ-зависимой протеинкиназы, Sus scrofa | |||
Идентификаторы | |||
Номер ЕС. | 2.7.11.11 | ||
Номер CAS. | 142008-29-5 | ||
Альт. имена | СТК22, ПКА, ПКА С | ||
Базы данных | |||
ИнтЭнк | вид IntEnz | ||
БРЕНДА | БРЕНДА запись | ||
Экспаси | Просмотр NiceZyme | ||
КЕГГ | КЕГГ запись | ||
МетаЦик | метаболический путь | ||
ПРЯМОЙ | профиль | ||
PDB Структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||
|
В клеточной биологии протеинкиназа А ( PKA ) представляет собой семейство серин-треониновых киназ. [ 1 ] активность которого зависит от клеточного уровня циклического АМФ (цАМФ). PKA также известна как цАМФ-зависимая протеинкиназа ( EC 2.7.11.11 ). ПКА выполняет несколько функций в клетке, включая регуляцию гликогена , сахара и липидного обмена . Его не следует путать с 5'- АМФ-активируемой протеинкиназой ( АМФ-активируемой протеинкиназой ).
История
[ редактировать ]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. степень доктора физиологии и медицины в 1992 году за работу по фосфорилированию и дефосфорилированию и их связи с активностью ПКА. [ 2 ]
PKA — одна из наиболее широко исследованных протеинкиназ , отчасти из-за ее уникальности; Известно , что из 540 различных генов протеинкиназ, составляющих киноме человека , только одна протеинкиназа, казеинкиназа 2 , существует в физиологическом тетрамерном комплексе, то есть состоит из четырех субъединиц. [ 1 ]
Разнообразие субъединиц PKA млекопитающих стало понятным после того, как доктор Стэн Макнайт и другие идентифицировали четыре возможных гена каталитических субъединиц и четыре гена регуляторных субъединиц. В 1991 году Сьюзан Тейлор и ее коллеги кристаллизовали субъединицу PKA Cα, которая впервые выявила двухдольную структуру ядра протеинкиназы, предоставив основу для всех других протеинкиназ в геноме (киноме). [ 3 ]
Структура
[ редактировать ]В неактивном состоянии апофермент ПКА существует в виде тетрамера, который состоит из двух регуляторных субъединиц и двух каталитических субъединиц. Каталитическая субъединица содержит активный центр, ряд канонических остатков, обнаруженных в протеинкиназах , которые связывают и гидролизуют АТФ , и домен, связывающий регуляторную субъединицу. Регуляторная субъединица имеет домены для связывания с циклическим АМФ, домен, который взаимодействует с каталитической субъединицей, и аутоингибирующий домен. Есть две основные формы регуляторной субъединицы; РИ и РИИ. [ 4 ]
Клетки млекопитающих имеют по крайней мере два типа ПКА: тип I находится главным образом в цитозоле , тогда как тип II связан через свои регуляторные субъединицы и специальные закрепляющие белки, описанные в разделе о закреплении , с плазматической мембраной , ядерной мембраной , внешней мембраной митохондрий , и микротрубочки . В обоих типах, как только каталитические субъединицы освобождаются и становятся активными, они могут мигрировать в ядро (где они могут фосфорилировать белки, регулирующие транскрипцию), 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
[ редактировать ]
Активация
[ редактировать ]PKA также широко известна как цАМФ-зависимая протеинкиназа, поскольку традиционно считалось, что она активируется посредством высвобождения каталитических субъединиц, когда уровни вторичного мессенджера, называемого циклическим аденозинмонофосфатом или цАМФ, повышаются в ответ на различные сигналы. Однако недавние исследования по оценке интактных голоферментных комплексов, включая регуляторные AKAP-связанные сигнальные комплексы, показали, что локальная субклеточная активация каталитической активности PKA может происходить без физического разделения регуляторного и каталитического компонентов, особенно при физиологических концентрациях цАМФ. . [ 6 ] [ 7 ] Напротив, экспериментально индуцированные сверхфизиологические концентрации цАМФ, то есть более высокие, чем обычно наблюдаются 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 А путем первого связывания с рецептором, связанным с G-белком (GPCR) на клетке-мишени. Когда GPCR активируется его внеклеточным лигандом, в рецепторе индуцируются конформационные изменения , которые передаются прикрепленному внутриклеточному гетеротримерному комплексу G-белка за счет динамики белковых доменов . Субъединица Gs-альфа стимулированного комплекса G-белка обменивает GDP на GTP в реакции, катализируемой GPCR, и высвобождается из комплекса. Активированная субъединица Gs-альфа связывается и активирует фермент, называемый аденилатциклазой , который, в свою очередь, катализирует превращение АТФ в цАМФ, напрямую повышая уровень цАМФ. Четыре молекулы цАМФ способны связываться с двумя регуляторными субъединицами. Это осуществляется путем связывания двух молекул цАМФ с каждым из двух сайтов связывания цАМФ (CNB-B и CNB-A), что вызывает конформационные изменения в регуляторных субъединицах ПКА, заставляя субъединицы отделяться и высвобождать две, теперь активированные, каталитические субъединицы. [ 8 ]
После освобождения от ингибирующей регуляторной субъединицы каталитические субъединицы могут фосфорилировать ряд других белков в контексте минимального субстрата Arg-Arg-X-Ser/Thr., [ 9 ] хотя они все еще подлежат другим уровням 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 ПКА.
- Регуляторные субъединицы выходят из активных центров каталитических субъединиц, и комплекс R2C2 диссоциирует.
- Свободные каталитические субъединицы взаимодействуют с белками, фосфорилируя остатки Ser или Thr.
Катализ
[ редактировать ]Освободившиеся каталитические субъединицы могут затем катализировать перенос концевых фосфатов АТФ на белковые субстраты по серина или треонина остаткам . Это фосфорилирование обычно приводит к изменению активности субстрата. Поскольку ПКА присутствуют во многих клетках и действуют на разные субстраты, регуляция ПКА и регуляция цАМФ участвуют во многих различных путях.
Механизмы дальнейших эффектов можно разделить на прямое фосфорилирование белков и синтез белков:
- При прямом фосфорилировании белка ПКА напрямую либо увеличивает, либо снижает активность белка.
- При синтезе белка PKA сначала напрямую активирует CREB , который связывает элемент ответа цАМФ (CRE), изменяя транскрипцию и, следовательно, синтез белка. Как правило, этот механизм занимает больше времени (от часов до дней).
Механизм фосфорилирования
[ редактировать ]Остаток серин/треонин пептида-субстрата ориентирован таким образом, что гидроксильная группа обращена к гамма-фосфатной группе связанной молекулы АТФ. И субстрат, АТФ, и два иона Mg2+ образуют интенсивные контакты с каталитической субъединицей ПКА. В активной конформации С-спираль прилегает к N-концевой доле, 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 фосфора посредством нуклеофильной реакции SN2, что приводит к переносу концевого фосфата на пептидный субстрат и разрыву фосфодиэфирной связи между бета-фосфатом и гамма-фосфатные группы. ПКА выступает в качестве модели для понимания биология протеинкиназы , при этом положение консервативных остатков помогает различать активную протеинкиназную и неактивную псевдокиназную часть человеческого кинома.
Инактивация
[ редактировать ]
Понижение уровня протеинкиназы А происходит по механизму обратной связи и использует ряд ферментов цАМФ, гидролизующих фосфодиэстеразу (ФДЭ), которые относятся к субстратам, активируемым ПКА. 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 с помощью регуляторных киназ, таких как PDK1. [ 7 ]
Таким образом, ПКА частично контролируется уровнями цАМФ . Кроме того, сама каталитическая субъединица может подавляться фосфорилированием.
Анкоридж
[ редактировать ]Димер регуляторной субъединицы ПКА важен для локализации киназы внутри клетки. Домен димеризации и стыковки (D/D) димера связывается с доменом связывания А-киназы (AKB) якорного белка А-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 узел в определенном месте внутри клетки. Например, AKAP, расположенная 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
[ редактировать ]PKA фосфорилирует белки , на которых открыт мотив аргинин-аргинин-X-серин, в свою очередь (де)активируя белки. Существует множество возможных субстратов ПКА; список таких субстратов доступен и поддерживается НИЗ . [ 11 ]
Поскольку экспрессия белков варьируется от типа клеток к типу, белки, доступные для фосфорилирования, будут зависеть от клетки, в которой присутствует PKA. Таким образом, эффекты активации PKA различаются в зависимости от типа клеток :
Обзорная таблица
[ редактировать ]В адипоцитах и гепатоцитах
[ редактировать ]Адреналин и глюкагон влияют на активность протеинкиназы А, изменяя уровень цАМФ в клетке по механизму G-белка с помощью 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, тем самым ингибируя липогенез и способствуя чистому глюконеогенезу . Инсулин, с другой стороны, снижает уровень фосфорилирования этих ферментов, что вместо этого способствует липогенезу. Напомним, что в миоцитах глюконеогенез не происходит.
Нейроны в прилежащем ядре
[ редактировать ]ПКА помогает передавать/транслировать сигнал дофамина в клетки прилежащего ядра , что обеспечивает вознаграждение, мотивацию и значимость задачи . Подавляющее большинство восприятий вознаграждения связано с активацией нейронов в прилежащем ядре, некоторые примеры которых включают секс, легкие наркотики и еду. Путь передачи сигнала протеинкиназы А помогает модулировать потребление этанола и его седативный эффект. Исследование на мышах показало, что мыши с генетически сниженной передачей сигналов цАМФ-ПКА меньше потребляют этанол и более чувствительны к его седативному эффекту. [ 18 ]
В скелетных мышцах
[ редактировать ]PKA направляется в определенные субклеточные местоположения после привязки к AKAP . Рианодиновый рецептор (RyR) локализуется совместно с мышечными AKAP, фосфорилированием RyR и оттоком кальция. 2+ увеличивается за счет локализации ПКА в RyR с помощью AKAP. [ 19 ]
В сердечной мышце
[ редактировать ]В каскаде, опосредованном GPCR , известном как β1 - адренорецептор , активируемом катехоламинами (особенно норадреналином ), PKA активируется и фосфорилирует многочисленные мишени, а именно: кальциевые каналы L-типа , фосфоламбан , тропонин I , миозинсвязывающий белок C и калиевые каналы. . Это увеличивает инотропию , а также лузитропию , увеличивая силу сокращения и позволяя мышцам быстрее расслабляться. [ 20 ] [ 21 ]
В формировании памяти
[ редактировать ]ПКА всегда считался важным в формировании памяти . У плодовых мух снижение экспрессионной активности DCO (гена, кодирующего каталитическую субъединицу PKA) может вызывать серьезные нарушения обучаемости, среднесрочной и кратковременной памяти. Долговременная память зависит от фактора транскрипции CREB, регулируемого PKA. Исследование, проведенное на дрозофиле, показало, что увеличение активности ПКА может повлиять на кратковременную память. Однако снижение активности ПКА на 24% тормозило 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 ПКА. [ 22 ]
См. также
[ редактировать ]- Протеинкиназа
- Преобразование сигнала
- Рецептор, связанный с G-белком
- Серин/треонин-специфическая протеинкиназа
- Киназа легкой цепи миозина
- цАМФ-зависимый путь
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Тернхэм, Ригни Э.; Скотт, Джон Д. (15 февраля 2016 г.). «Изоформа каталитической субъединицы протеинкиназы А PRKACA; История, функции и физиология» . Джин . 577 (2): 101–108. дои : 10.1016/j.gene.2015.11.052 . ПМЦ 4713328 . ПМИД 26687711 .
- ^ Найтон, ДР; Чжэн, Дж. Х.; Тен Эйк, LF; Сюонг, Нью-Хэмпшир; Тейлор, СС; Совадски, Дж. М. (26 июля 1991 г.). «Структура пептидного ингибитора, связанного с каталитической субъединицей циклической аденозинмонофосфат-зависимой протеинкиназы». Наука . 253 (5018): 414–420. Бибкод : 1991Sci...253..414K . дои : 10.1126/science.1862343 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 1862343 .
- ^ Мэннинг, Г.; Уайт, Д.Б.; Мартинес, Р.; Хантер, Т.; Сударсанам, С. (6 декабря 2002 г.). «Протеинкиназный комплемент генома человека». Наука . 298 (5600): 1912–1934. Бибкод : 2002Sci...298.1912M . дои : 10.1126/science.1075762 . ISSN 1095-9203 . ПМИД 12471243 . S2CID 26554314 .
- ^ Бауман А.Л., Скотт Дж.Д. (август 2002 г.). «Белки, закрепляющие киназы и фосфатазы: использование динамического дуэта». Природная клеточная биология . 4 (8): E203–6. дои : 10.1038/ncb0802-e203 . ПМИД 12149635 . S2CID 1276537 .
- ^ Альбертс, Брюс (18 ноября 2014 г.). Молекулярная биология клетки (Шестое изд.). Нью-Йорк. п. 835. ИСБН 978-0-8153-4432-2 . OCLC 887605755 .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Перейти обратно: а б Смит, Флорида; Эсселтин, Дж.Л.; Нигрен, П.Дж.; Вислер, Д; Бирн, ДП; Вондерах, М; Страшнов И.; Эйерс, CE; Эйерс, Пенсильвания; Лангеберг, ЛК; Скотт, доктор юридических наук (2017). «Действие местной протеинкиназы А осуществляется через интактные холоферменты» . Наука . 356 (6344): 1288–1293. Бибкод : 2017Sci...356.1288S . дои : 10.1126/science.aaj1669 . ПМК 5693252 . ПМИД 28642438 .
- ^ Перейти обратно: а б с Бирн, ДП; Вондерах, М; Паромы, С; Браунридж, ПиДжей; Эйерс, CE; Эйерс, Пенсильвания (2016). «Комплексы цАМФ-зависимой протеинкиназы (ПКА), исследованные с помощью дополнительной дифференциальной сканирующей флуориметрии и масс-спектрометрии ионной подвижности» . Биохимический журнал . 473 (19): 3159–3175. дои : 10.1042/bcj20160648 . ПМК 5095912 . ПМИД 27444646 .
- ^ Лодиш; и др. (2016). «15,5». Молекулярно-клеточная биология (8-е изд.). WH Фриман и компания. п. 701. ИСБН 978-1-4641-8339-3 .
- ^ Voet, Voet & Pratt (2008). Основы биохимии , 3-е издание. Уайли. стр. 432
- ^ Скотт, доктор юридических наук; Глакум, МБ; Фишер, Э.Х.; Кребс, Э.Г. (1986). «Требования к первичной структуре для ингибирования термостабильным ингибитором цАМФ-зависимой протеинкиназы» . ПНАС . 83 (6): 1613–1616. Бибкод : 1986PNAS...83.1613S . дои : 10.1073/pnas.83.6.1613 . ПМЦ 323133 . ПМИД 3456605 .
- ^ «Субстраты ПКА» . НАЦИОНАЛЬНЫЕ ИНСТИТУТЫ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ США .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Позвонил HP (2003). Фармакология . Эдинбург: Черчилль Ливингстон. ISBN 978-0-443-07145-4 . Страница 172
- ^ Родригес П., Краниас Э.Г. (декабрь 2005 г.). «Фосфоламбан: ключевой фактор, определяющий сердечную функцию и дисфункцию». Архив болезней сердца и сосудов . 98 (12): 1239–43. ПМИД 16435604 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Бор В. Ф., Булпап Э. Л. (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (обновленное издание). Филадельфия, Пенсильвания: Эльзевир Сондерс. п. 842. ИСБН 978-1-4160-2328-9 .
- ^ Бор В. Ф., Булпап Э. Л. (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (обновленное издание). Филадельфия, Пенсильвания: Эльзевир Сондерс. п. 844. ИСБН 978-1-4160-2328-9 .
- ^ Бор В. Ф., Булпап Э. Л. (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (обновленное издание). Филадельфия, Пенсильвания: Эльзевир Сондерс. п. 852. ИСБН 978-1-4160-2328-9 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Бор В. Ф., Булпап Э. Л. (2005). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход (обновленное издание). Филадельфия, Пенсильвания: Эльзевир Сондерс. п. 867. ИСБН 978-1-4160-2328-9 .
- ^ Ванд, Гэри; Левин, Майкл; Цвайфель, Ларри; Швиндингер, Уильям; Абель, Тед (15 июля 2001 г.). «Путь передачи сигнала цАМФ-протеинкиназа А модулирует потребление этанола и седативное действие этанола» . Журнал неврологии . 21 (14): 5297–5303. doi : 10.1523/JNEUROSCI.21-14-05297.2001 . ISSN 0270-6474 . ПМК 6762861 . ПМИД 11438605 .
- ^ Руер, Мэри Л.; Рассел, Мэри А.; Фергюсон, Дональд Г.; Бхат, Манджу; Ма, Цзяньцзе; Дамрон, Дерек С.; Скотт, Джон Д.; Бонд, Мередит (4 июля 2003 г.). «Нацеливание протеинкиназы А на белок, закрепляющий киназу А в мышцах (mAKAP), регулирует фосфорилирование и функцию рианодинового рецептора скелетных мышц» . Журнал биологической химии . 278 (27): 24831–24836. дои : 10.1074/jbc.M213279200 . ISSN 0021-9258 . ПМИД 12709444 .
- ^ Шах, Аджай М.; Соларо, Р. Джон; Лэйланд, Джоанна (1 апреля 2005 г.). «Регуляция сократительной функции сердца путем фосфорилирования тропонина I» . Сердечно-сосудистые исследования . 66 (1): 12–21. дои : 10.1016/j.cardiores.2004.12.022 . ISSN 0008-6363 . ПМИД 15769444 .
- ^ Борон, Уолтер Ф.; Булпаеп, Эмиль Л. (2012). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход . Борон, Уолтер Ф., Булпап, Эмиль Л. (Обновленное второе изд.). Филадельфия, Пенсильвания. ISBN 9781437717532 . OCLC 756281854 .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Хориучи, Дзюнджиро; Ямадзаки, Дайсуке; Наганос, Синтаро; Айгаки, Тосиро; Сайтоэ, Минору (30 декабря 2008 г.). «Протеинкиназа А подавляет консолидированную форму памяти у дрозофилы» . Труды Национальной академии наук . 105 (52): 20976–20981. Бибкод : 2008PNAS..10520976H . дои : 10.1073/pnas.0810119105 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 2634933 . ПМИД 19075226 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Циклические + АМФ-зависимые + протеины + киназы в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
- дрозофилы цАМФ-зависимая протеинкиназа 1 - The Interactive Fly
- цАМФ-зависимая протеинкиназа: молекула месяца PDB
- Обзор всей структурной информации, доступной в PDB для UniProt : P25321 (каталитическая субъединица альфа цАМФ-зависимой протеинкиназы) на PDBe-KB .