Proteinkinas A - Protein kinase A

cAMP-beroende proteinkinas (proteinkinas A)
Identifierare
EG -nr. 2.7.11.11
CAS -nr. 142008-29-5
Databaser
IntEnz IntEnz -vy
BRENDA BRENDA -inträde
ExPASy NiceZyme -vy
KEGG KEGG -post
MetaCyc Metabolisk väg
PRIAM profil
PDB -strukturer RCSB PDB PDBe PDBsum

Inom cellbiologi är proteinkinas A ( PKA ) en familj av enzymer vars aktivitet är beroende av cellulära nivåer av cykliskt AMP (cAMP). PKA är också känt som cAMP-beroende proteinkinas ( EC 2.7.11.11 ). PKA har flera funktioner i cellen, inklusive reglering av glykogen , socker och fettmetabolism .

Historia

Proteinkinas A, mer exakt känt som adenosin 3 ', 5'-monofosfat (cykliskt AMP) -beroende proteinkinas, förkortat till PKA, upptäcktes av kemisterna Edmond H. Fischer och Edwin G. Krebs 1968. De vann Nobelpriset i fysiologi eller medicin 1992 för deras arbete med fosforylering och defosforylering och hur det relaterar till PKA -aktivitet.

PKA är en av de mest undersökta proteinkinaserna , delvis på grund av dess unikhet; av 540 olika proteinkinasgener som utgör humant kinom är det bara känt att ett annat proteinkinas, kaseinkinas 2 , finns i ett fysiologiskt tetrameriskt komplex, vilket betyder att det består av fyra subenheter.

Mångfalden av däggdjurs PKA -subenheter insågs efter att Dr Stan McKnight och andra identifierat fyra möjliga katalytiska subenhetsgener och fyra regulatoriska subenhetsgener. 1991 kristalliserade Susan Taylor och kollegor PKA Cα-subenheten, som avslöjade proteinkinaskärnans bi-lobstruktur för allra första gången, vilket gav en plan för alla andra proteinkinaser i ett genom (kinomen).

Strukturera

När det är inaktivt existerar PKA -holoenzymet som en tetramer som består av två regulatoriska subenheter och två katalytiska subenheter. Den katalytiska subenheten innehåller det aktiva stället, en serie kanoniska rester som finns i proteinkinaser som binder och hydrolyserar ATP , och en domän för att binda den regulatoriska subenheten. Den reglerande subenheten har domäner att binda till cyklisk AMP, en domän som interagerar med katalytisk subenhet och en autoinhiberande domän. Det finns två huvudformer av reglerande underenhet; RI och RII.

Däggdjursceller har minst två typer av PKA: typ I finns huvudsakligen i cytosolen , medan typ II är bunden via sina regulatoriska underenheter och speciella förankringsproteiner, som beskrivs i förankringssektionen , till plasmamembranet , kärnmembranet , mitokondriellt yttre membran , och mikrotubuli . I båda typerna, när de katalytiska subenheterna är frigjorda och aktiva, kan de migrera in i kärnan (där de kan fosforylera transkriptionsreglerande proteiner), medan de regulatoriska subenheterna finns kvar i cytoplasman.

Följande mänskliga gener kodar för PKA -subenheter:

Mekanism

Översikt: Aktiverings- och inaktiveringsmekanismer för PKA

Aktivering

PKA är också allmänt känt som cAMP-beroende proteinkinas, eftersom det traditionellt har antagits aktiveras genom frisättning av de katalytiska subenheterna när nivåer av den andra budbäraren kallad cyklisk adenosinmonofosfat , eller cAMP, stiger som svar på en mängd olika signaler. Nya studier som utvärderar de intakta holoenzymkomplexen, inklusive reglerande AKAP-bundna signalkomplex, har emellertid föreslagit att den lokala subcellulära aktiveringen av den katalytiska aktiviteten hos PKA kan fortsätta utan fysisk separation av de regulatoriska och katalytiska komponenterna, särskilt vid fysiologiska koncentrationer av cAMP . Däremot kan experimentellt inducerade överfysiologiska koncentrationer av cAMP, vilket betyder högre än normalt observeras i celler, orsaka separation av holoenzymerna och frisättning av de katalytiska subenheterna.

Extracellulära hormoner, såsom glukagon och adrenalin , inleder en intracellulär signalkaskad som utlöser proteinkinas A -aktivering genom att först binda till en G -proteinkopplad receptor (GPCR) på målcellen. När en GPCR aktiveras av dess extracellulära ligand induceras en konformationsförändring i receptorn som överförs till ett fäst intracellulärt heterotrimärt G -proteinkomplex genom proteindomadynamik . Den Gs-alfa-subenheten av den stimulerade G-proteinet komplexa utbyten BNP för GTP i en reaktion som katalyseras av GPCR och frigörs från komplexet. Den aktiverade Gs alfa -subenheten binder till och aktiverar ett enzym som kallas adenylylcyklas , vilket i sin tur katalyserar omvandlingen av ATP till cAMP, vilket direkt ökar cAMP -nivån. Fyra cAMP -molekyler kan binda till de två regulatoriska underenheterna. Detta görs av två cAMP-molekyler som binder till var och en av de två cAMP-bindningsställena (CNB-B och CNB-A) som inducerar en konformationsförändring i de regulatoriska underenheterna av PKA, vilket får subenheterna att lossna och släppa loss de två, nu aktiverade, katalytiska underenheter.

När de katalytiska subenheterna har frigjorts från inhiberande regulatoriska subenheter kan de fortsätta att fosforylera ett antal andra proteiner i det minimala substratsammanhanget Arg-Arg-X-Ser/Thr. den värmestabila pseudosubstrathämmaren av PKA, benämnd PKI.

Nedan är en lista över stegen som är involverade i PKA -aktivering:

  1. Cytosolisk cAMP ökar
  2. Två cAMP -molekyler binder till varje PKA -regulatorisk subenhet
  3. De reglerande subenheterna flyttar ut från de aktiva platserna i de katalytiska subenheterna och R2C2 -komplexet dissocierar
  4. De fria katalytiska subenheterna interagerar med proteiner för att fosforylera Ser- eller Thr -rester.

Katalys

De frigjorda katalytiska underenheter kan sedan katalysera överföringen av ATP terminala fosfater till proteinsubstrat vid serin eller treonin -rester . Denna fosforylering resulterar vanligtvis i en förändring av substratets aktivitet. Eftersom PKA finns i en mängd olika celler och verkar på olika substrat, är PKA -reglering och cAMP -reglering involverade i många olika vägar.

Mekanismerna för ytterligare effekter kan delas in i direkt proteinfosforylering och proteinsyntes:

  • Vid direkt proteinfosforylering ökar eller minskar PKA direkt aktiviteten hos ett protein.
  • Vid proteinsyntes aktiverar PKA först CREB , som binder cAMP -responselementet (CRE), vilket förändrar transkriptionen och därmed syntesen av proteinet. I allmänhet tar denna mekanism mer tid (timmar till dagar).

Fosforyleringsmekanism

Serin/treoninresten i substratpeptiden är orienterad på ett sådant sätt att hydroxylgruppen vetter mot gammafosfatgruppen i den bundna ATP -molekylen. Både substratet, ATP och två Mg2+ -joner bildar intensiva kontakter med den katalytiska subenheten av PKA. I den aktiva konformationen packar C-helixen mot den N-terminala loben och Aspartatresten av det bevarade DFG-motivet kelaterar Mg2+ -jonerna, vilket hjälper till att placera ATP-substratet. Trifosfatgruppen av ATP pekar ut ur adenosinfickan för överföring av gammafosfat till serinet/treoninet i peptidsubstratet. Det finns flera konserverade rester, inklusive Glutamat (E) 91 och Lysine (K) 72, som förmedlar positioneringen av alfa- och beta-fosfatgrupper. Hydroxylgruppen i peptidsubstratets Serine/Threonine angriper gammafosfatgruppen vid fosforen via en SN2-nukleofil reaktion, vilket resulterar i överföring av det terminala fosfatet till peptidsubstratet och klyvning av fosfodiesterbindningen mellan beta-fosfatet och gamma-fosfatgrupper. PKA fungerar som en modell för förståelse av proteinkinasbiologi , med placeringen av de bevarade resterna som hjälper till att särskilja det aktiva proteinkinaset och inaktiva pseudokinasmedlemmar i den mänskliga kinomen.

Inaktivering

läger

Nedreglering av proteinkinas A sker genom en återkopplingsmekanism och använder ett antal cAMP -hydrolyserande fosfodiesteras (PDE) enzymer, som tillhör de substrat som aktiveras av PKA. Fosfodiesteras omvandlar snabbt cAMP till AMP, vilket minskar mängden cAMP som kan aktivera proteinkinas A. PKA regleras också av en komplex serie fosforyleringshändelser, som kan innefatta modifiering genom autofosforylering och fosforylering av regulatoriska kinaser, såsom PDK1.

Således styrs PKA delvis av nivåerna cAMP . Den katalytiska subenheten i sig kan också nedregleras genom fosforylering.

Ankring

Den regulatoriska subenhetsdimeren av PKA är viktig för lokalisering av kinas inuti cellen. Dimeriserings- och docknings- (D/D) -domänen för dimeren binder till A-kinasbindnings- (AKB) -domänen för A- kinasankarprotein (AKAP). AKAP: erna lokaliserar PKA till olika platser (t.ex. plasmamembran, mitokondrier, etc.) i cellen.

AKAPs binder många andra signalproteiner, vilket skapar ett mycket effektivt signalnav på en viss plats i cellen. Till exempel skulle en AKAP belägen nära kärnan i en hjärtmuskelcell binda både PKA och fosfodiesteras (hydrolyserar cAMP), vilket gör att cellen kan begränsa produktiviteten för PKA, eftersom den katalytiska subenheten aktiveras när cAMP binder till de regulatoriska underenheterna.

Fungera

PKA fosforylerar proteiner som har motivet Arginine-Arginine-X-Serine exponerat, i sin tur (de) aktiverar proteinerna. Många möjliga substrat för PKA finns; en lista över sådana substrat är tillgänglig och underhålls av NIH .

Eftersom proteinuttryck varierar från celltyp till celltyp beror proteinerna som är tillgängliga för fosforylering av cellen i vilken PKA finns. Således varierar effekterna av PKA -aktivering med celltyp :

Översiktstabell

Celltyp Organsystem Stimulatorer
liganderG s - GPCR
eller PDE -hämmare
Hämmare
ligander → G i - GPCR
eller PDE stimulatorer
Effekter
adipocyt
myocyt ( skelettmuskel ) muskelsystem
myocyt ( hjärtmuskel ) kardiovaskulär
myocyt ( glatt muskel ) kardiovaskulär Bidrar till vasodilatation (fosforylater, och därigenom inaktiverar Myosin lättkedjekinas )
hepatocyt lever
neuroner i nucleus accumbens nervsystem dopamindopaminreceptor Aktivera belöningssystem
huvudceller i njuren njure
Tjock stigande extremitetscell njure VasopressinV2 -receptor stimulera Na-K-2Cl symporter (kanske bara mindre effekt)
Kortikal uppsamlingsrörscell njure VasopressinV2 -receptor stimulera epitelial natriumkanal (kanske bara mindre effekt)
Inre medullär samlande kanalcell njure VasopressinV2 -receptor
proximal konvolutad tubulär cell njure PTHPTH -receptor 1 Hämma NHE3 → ↓ H + utsöndring
juxtaglomerulär cell njure renin -utsöndring

I adipocyter och hepatocyter

Epinefrin och glukagon påverkar aktiviteten hos proteinkinas A genom att ändra nivåerna av cAMP i en cell via G-proteinmekanismen, med hjälp av adenylatcyklas . Proteinkinas A verkar för att fosforylera många enzymer som är viktiga för metabolismen. Till exempel fosforylerar proteinkinas A acetyl-CoA-karboxylas och pyruvatdehydrogenas . Sådan kovalent modifiering har en hämmande effekt på dessa enzymer, vilket hämmar lipogenes och främjar nettoglukoneogenes . Insulin, å andra sidan, minskar nivån av fosforylering av dessa enzymer, vilket istället främjar lipogenes. Minns att glukoneogenes inte sker i myocyter.

I nucleus accumbens neuroner

PKA hjälper till att överföra/översätta dopaminsignalen till celler i kärnan accumbens , vilket förmedlar belöning, motivation och uppgift . Den stora majoriteten av belöningsuppfattningen involverar neuronal aktivering i kärnan accumbens, några exempel inkluderar sex, narkotika och mat. Proteinkinas A signaltransduktionsväg hjälper till att modulera etanolförbrukningen och dess lugnande effekter. En musstudie rapporterar att möss med genetiskt reducerad cAMP-PKA-signalering resulterar i mindre konsumtion av etanol och är mer känsliga för dess lugnande effekter.

I skelettmuskeln

PKA dirigeras till specifika subcellulära platser efter anslutning till AKAP . Ryanodinreceptor (RyR) samlokaliseras med muskel-AKAP och RyR-fosforylering och utflödet av Ca 2+ ökas genom lokalisering av PKA vid RyR med AKAP.

I hjärtmuskeln

I en kaskad förmedlad av en GPCR känd som β 1- adrenoceptor , aktiverad av katekolaminer (särskilt noradrenalin ), aktiveras PKA och fosforylerar många mål, nämligen: L-kalciumkanaler , fosfolamban , troponin I , myosinbindande protein C och kaliumkanaler . Detta ökar såväl inotropi som lusitropi , ökar kontraktionskraften och gör att musklerna kan slappna av snabbare.

I minnesbildning

PKA har alltid ansetts viktigt vid bildandet av ett minne . I fruktflugan kan minskningar av uttrycksaktiviteten hos DCO (PKA katalytisk underenhet som kodar gen) orsaka allvarliga inlärningssvårigheter, medellångtidsminne och korttidsminne. Långtidsminnet är beroende av CREB -transkriptionsfaktorn, reglerad av PKA. En studie gjord på drosophila rapporterade att en ökning av PKA -aktivitet kan påverka korttidsminnet. En minskning av PKA -aktivitet med 24% hämmade inlärningsförmågan och en minskning med 16% påverkade både inlärningsförmågan och minnesretention. Bildandet av ett normalt minne är mycket känsligt för PKA -nivåer.

Se även

Referenser

  1. ^ Knighton, DR; Zheng, JH; Ten Eyck, LF; Xuong, NH; Taylor, SS; Sowadski, JM (1991-07-26). "Struktur av en peptidinhibitor bunden till den katalytiska subenheten av cykliskt adenosinmonofosfatberoende proteinkinas". Vetenskap . 253 (5018): 414–420. Bibcode : 1991Sci ... 253..414K . doi : 10.1126/science.1862343 . ISSN  0036-8075 . PMID  1862343 .
  2. ^ Turnham, Rigney E .; Scott, John D. (2016-02-15). "Proteinkinas En katalytisk subenhet isoform PRKACA; Historia, funktion och fysiologi" . Gene . 577 (2): 101–108. doi : 10.1016/j.gene.2015.11.052 . PMC  4713328 . PMID  26687711 .
  3. ^ Manning, G .; Whyte, DB; Martinez, R .; Hunter, T .; Sudarsanam, S. (2002-12-06). "Proteinkinaskomplementet för det mänskliga genomet". Vetenskap . 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 (augusti 2002). "Kinas- och fosfatasförankringsproteiner: utnyttja den dynamiska duon". Naturcellsbiologi . 4 (8): E203–6. doi : 10.1038/ncb0802-e203 . PMID  12149635 . S2CID  1276537 .
  5. ^ Alberts, Bruce (18 november 2014). Cellens molekylära biologi (sjätte upplagan). New York. sid. 835. ISBN 978-0-8153-4432-2. OCLC  887605755 .
  6. ^ a b Smith, FD; Esseltine, JL; Nygren, PJ; Veesler, D; Byrne, DP; Vonderach, M; Strashnov, jag; Eyers, CE; Eyers, PA; Langeberg, LK; Scott, JD (2017). "Lokalt proteinkinas A -handling fortsätter genom intakta holoenzymer" . Vetenskap . 356 (6344): 1288–1293. Bibcode : 2017Sci ... 356.1288S . doi : 10.1126/science.aaj1669 . PMC  5693252 . PMID  28642438 .
  7. ^ a b c Byrne, DP; Vonderach, M; Färjor, S; Brownridge, PJ; Eyers, CE; Eyers, PA (2016). "cAMP-beroende proteinkinas (PKA) -komplex som undersöks genom komplementär differentiell skanningsfluorimetri och jonmobilitet-masspektrometri" . Biokemisk tidskrift . 473 (19): 3159–3175. doi : 10.1042/bcj20160648 . PMC  5095912 . PMID  27444646 .
  8. ^ Lodish; et al. (2016). "15,5". Molekylär cellbiologi (8: e upplagan). WH Freeman och företag. sid. 701. ISBN 978-1-4641-8339-3.
  9. ^ Voet, Voet & Pratt (2008). Fundamentals of Biochemistry , 3: e upplagan. Wiley. Sid 432
  10. ^ Scott, JD; Glaccum, MB; Fischer, EH; Krebs, EG (1986). "Krav på primärstruktur för hämning av den värmestabila hämmaren av det cAMP-beroende proteinkinaset" . PNAS . 83 (6): 1613–1616. Bibcode : 1986PNAS ... 83.1613S . doi : 10.1073/pnas.83.6.1613 . PMC  323133 . PMID  3456605 .
  11. ^ "PKA -substrat" . NIH .
  12. ^ a b c d e Rang HP (2003). Farmakologi . Edinburgh: Churchill Livingstone. ISBN 978-0-443-07145-4. Sida 172
  13. ^ Rodriguez P, Kranias EG (december 2005). "Fosfolamban: en nyckeldeterminant för hjärtfunktion och dysfunktion". Archives des Maladies du Coeur et des Vaisseaux . 98 (12): 1239–43. PMID  16435604 .
  14. ^ a b c d e Boron WF, Boulpaep EL (2005). Medicinsk fysiologi: en cellulär och molekylär metod (uppdaterad red.). Philadelphia, Pa .: Elsevier Saunders. sid. 842. ISBN 978-1-4160-2328-9.
  15. ^ Boron WF, Boulpaep EL (2005). Medicinsk fysiologi: en cellulär och molekylär metod (uppdaterad red.). Philadelphia, Pa .: Elsevier Saunders. sid. 844. ISBN 978-1-4160-2328-9.
  16. ^ Boron WF, Boulpaep EL (2005). Medicinsk fysiologi: en cellulär och molekylär metod (uppdaterad red.). Philadelphia, Pa .: Elsevier Saunders. sid. 852. ISBN 978-1-4160-2328-9.
  17. ^ a b c d Boron WF, Boulpaep EL (2005). Medicinsk fysiologi: en cellulär och molekylär metod (uppdaterad red.). Philadelphia, Pa .: Elsevier Saunders. sid. 867. ISBN 978-1-4160-2328-9.
  18. ^ Wand, Gary; Levine, Michael; Zweifel, Larry; Schwindinger, William; Abel, Ted (2001-07-15). "CAMP – Protein Kinase A Signal Transduction Pathway modulerar etanolkonsumtion och sedativa effekter av etanol" . Journal of Neuroscience . 21 (14): 5297–5303. doi : 10.1523/JNEUROSCI.21-14-05297.2001 . ISSN  0270-6474 . PMC  6762861 . PMID  11438605 .
  19. ^ Ruehr, Mary L .; Russell, Mary A .; Ferguson, Donald G .; Bhat, Manju; Ma, Jianjie; Damron, Derek S .; Scott, John D .; Bond, Meredith (2003-07-04). "Targeting of Protein Kinase A by Muscle A Kinase-anchoring Protein (mAKAP) Reglerar fosforylering och funktion hos skelettmuskel Ryanodine Receptor" . Journal of Biological Chemistry . 278 (27): 24831–24836. doi : 10.1074/jbc.M213279200 . ISSN  0021-9258 . PMID  12709444 .
  20. ^ Shah, Ajay M .; Solaro, R. John; Layland, Joanne (2005-04-01). "Reglering av hjärtkontraktil funktion genom troponin I -fosforylering" . Kardiovaskulär forskning . 66 (1): 12–21. doi : 10.1016/j.cardiores.2004.12.022 . ISSN  0008-6363 . PMID  15769444 .
  21. ^ Boron, Walter F .; Boulpaep, Emile L. (2012). Medicinsk fysiologi: en cellulär och molekylär metod . Boron, Walter F., Boulpaep, Emile L. (Uppdaterad andra upplagan). Philadelphia, PA. ISBN 9781437717532. OCLC  756281854 .
  22. ^ Horiuchi, Junjiro; Yamazaki, Daisuke; Naganos, Shintaro; Aigaki, Toshiro; Saitoe, Minoru (2008-12-30). "Proteinkinas A hämmar en konsoliderad form av minne i Drosophila" . Förfaranden från National Academy of Sciences . 105 (52): 20976–20981. Bibcode : 2008PNAS..10520976H . doi : 10.1073/pnas.0810119105 . ISSN  0027-8424 . PMC  2634933 . PMID  19075226 .

externa länkar

Anteckningar