Histidinkinase - Histidine kinase
| Protein Histidinkinase | |||||||||
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Kristallographische Struktur der ATP:Protein-L-Histidin-N-Phosphotransferase basierend auf den PDB : 2c2a -Koordinaten.
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| Bezeichner | |||||||||
| EG-Nr. | 2.7.13.3 | ||||||||
| CAS-Nr. | 99283-67-7 | ||||||||
| Datenbanken | |||||||||
| IntEnz | IntEnz-Ansicht | ||||||||
| BRENDA | BRENDA-Eintrag | ||||||||
| ExPASy | NiceZyme-Ansicht | ||||||||
| KEGG | KEGG-Eintrag | ||||||||
| MetaCyc | Stoffwechselweg | ||||||||
| PRIAM | Profil | ||||||||
| PDB- Strukturen | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Gen-Ontologie | AmiGO / QuickGO | ||||||||
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Histidin-Kinasen ( HK ) sind multifunktional und in Nicht-Tier-Reichen typischerweise Transmembranproteine der Transferase- Klasse von Enzymen , die eine Rolle bei der Signalübertragung durch die Zellmembran spielen. Die überwiegende Mehrheit der HKs sind Homodimere, die Autokinase- , Phosphotransfer- und Phosphatase-Aktivität aufweisen. HKs können analog zu den Tyrosinkinase-Rezeptoren (RTK) als zelluläre Rezeptoren für Signalmoleküle fungieren . Multifunktionale Rezeptormoleküle wie HKs und RTKs haben typischerweise Teile an der Außenseite der Zelle ( extrazelluläre Domäne), die an hormon- oder wachstumsfaktorähnliche Moleküle binden, Teile, die die Zellmembran durchspannen ( Transmembrandomäne ) und Teile innerhalb der Zelle ( intrazelluläre Domäne), die die enzymatische Aktivität enthalten. Zusätzlich zur Kinaseaktivität weisen die intrazellulären Domänen typischerweise Regionen auf, die an ein sekundäres Effektormolekül oder einen Komplex von Molekülen binden, die die Signaltransduktion innerhalb der Zelle weiter fortpflanzen. Im Gegensatz zu anderen Klassen von Proteinkinasen sind HKs normalerweise Teil eines Zweikomponenten-Signaltransduktionsmechanismus, bei dem HK eine Phosphatgruppe von ATP auf einen Histidinrest innerhalb der Kinase und dann auf einen Aspartatrest auf der Empfängerdomäne einer Antwort überträgt Regulatorprotein (oder manchmal auf der Kinase selbst). In jüngerer Zeit wurde die weit verbreitete Existenz einer Proteinhistidin-Phosphorylierung, die sich von der von Zweikomponenten-Histidin-Kinasen unterscheidet, in menschlichen Zellen erkannt. Im deutlichen Gegensatz zur Ser-, Thr- und Tyr-Phosphorylierung ist die Analyse von phosphoryliertem Histidin mit biochemischen und massenspektrometrischen Standardansätzen viel anspruchsvoller, und für ihre Konservierung sind neben der klassischen Ser-, Thr- und Tyr-Phosphorylierung an isolierten Proteinen spezielle Verfahren und Trenntechniken erforderlich aus menschlichen Zellen.
In Bezug auf die Enzymologie , eine Histidin - Kinase ( EC 2.7.13.3 , EnvZ , Histidin - Proteinkinase , Protein - Histidinkinase , Proteinkinase (Histidin) , HK1 , HP165 , Sln1p ) ist ein Enzym , das katalysiert die chemische Reaktion
- ATP + Protein L-Histidin ADP + Protein N-Phospho-L-Histidin.
So sind die beiden Substrate sind dieses Enzym ATP und Protein L- Histidin , während seine beiden Produkte sind ADP und Protein - N-phospho-L-Histidin.
Dieser Enzymtyp ist an Signaltransduktionswegen vor vielen zellulären Prozessen beteiligt, einschließlich verschiedener metabolischer, Virulenz- und homöostatischer Wege.
Mechanismus
Der Mechanismus der durch Histidin-Kinase katalysierten Reaktionen ist nicht vollständig aufgeklärt, aber aktuelle Hinweise deuten darauf hin, dass die katalytische Domäne einer dimeren Einheit so rotieren kann, dass die ATP-Bindungstasche dieser Einheit mit einem bestimmten Histidin-Rest in Kontakt kommen kann auf der gegenüberliegenden Einheit und eine nukleophile Addition führt zu einem phosphorylierten Histidin.
Struktur und Funktion
Ein HK besteht aus mehreren Domänen, beginnend mit einem kurzen N-terminalen zytoplasmatischen Abschnitt, der über eine transmembrane α-Helix mit einer extrazellulären Sensing-Domäne verbunden ist . Eine zweite Transmembran-α-Helix verbindet die extrazelluläre Domäne mit der C-terminalen zytoplasmatischen katalytischen Domäne. Es ist bekannt, dass HKs in vielen verschiedenen Signaltransduktionswegen eine Rolle spielen, daher ist es nicht überraschend, dass die extrazelluläre Sensordomäne in der HK-Familie nicht sehr gut konserviert ist. Im Gegensatz dazu neigt die zytoplasmatische Domäne dazu, eine hohe Sequenzhomologie aufzuweisen und enthält mehrere wohlbekannte Motive . Zu diesen Motiven gehören die H-, N-, G1-, F- und G2-Boxen. Die Autophosphorylierungs-H-Box ist in der N-terminalen Dimerisierungs- und Histidin-Phosphotransfer-(DHp)-Domäne enthalten. In HK853-CD, kristallisiert aus Thermotoga maritima , ist diese Domäne eine helikale Haarnadel und wird von den Resten 232-317 gebildet. Die Histidin-Phosphorylierungsstelle befindet sich bei His-260. Die N-, G1-, F- und G2-Boxen sind in der C-terminalen katalytischen und ATP-bindenden (CA) Domäne enthalten. Diese Domäne wird von den Resten 323-489 gebildet und bildet eine als α/β-Sandwichfaltung bekannte Struktur. Diese spezielle Faltung hat eine Schicht aus einem 5-strängigen β-Faltblatt und die andere Schicht besteht aus drei α-Helices.
Die dimere Einheit wird durch ein Vier-Helix-Bündel zusammengehalten, das entsteht, wenn die C-terminalen Segmente der α1-Helices auf jeder Untereinheit antiparallel mit beiden α2-Helices wechselwirken . Die Stabilität des Dimers wird durch mehrere Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen den DHps jedes Monomers unterstützt. Dazu gehören hydrophobe Wechselwirkungen zwischen konservierten hydrophoben Resten sowie zwei Wasserstoffbrücken (Thr-252 ... Glu-316' und Arg-263 ... Asn-307') und eine Salzbrücke (Lys-270 ... Glu- 303'). Weitere Wechselwirkungen werden über Wasserstoffbrücken zu Wasser in einem Hohlraum innerhalb der Coiled-Coil vermittelt und von hydrophoben Resten flankiert.
Die Nukleotid / ATP- Bindungstasche ist innerhalb der CA-Domäne enthalten und die strukturelle Ähnlichkeit dieser Tasche ist zwischen den meisten HKs hoch. Die Kavität von CheA, ebenfalls aus T. maritima kristallisiert, wird zuerst durch das β-Faltblatt P4 auf der Rückseite gebildet, und die Seiten der Kavität werden durch die vier zuvor erwähnten Motive, die N-, G1-, F- und G2-Boxen, gebildet. Die Mehrheit der vom β-Faltblatt stammenden Reste sind hydrophob, wobei Asp449 die Ausnahme bildet. Dieser Rest ist invariant und bildet zusammen mit einem Wassermolekül eine Wasserstoffbrücke zur Adenin- Amin-Gruppe. Drei weitere Wassermoleküle bilden mit der Adeninbase direkte Wasserstoffbrückenbindungen. Ein Mg 2+ -Ion bildet eine Brücke zwischen allen drei Phosphaten und einem invarianten Asn-Rest. Schließlich vervollständigen zwei weitere Wassermoleküle die oktaedrische Koordination mit Mg 2+ und werden an Arg-408 und His-405 gebunden. Wenn das γ-Phosphat von ATP destabilisiert wird, wird Mg 2+ aufgrund seiner Unfähigkeit zur oktaedrischen Koordination nicht mehr beobachtet. Marinaet al. argumentieren, dass eine ähnliche Koordination von Mg 2+ in HK853 stattfindet, aber aufgrund der Verwendung des ATP- Analogons AMPPNP in der Kristallstruktur nicht beobachtet wird. Während der Kristallisation wurde das Analogon zu einem ADP-ähnlichen Produkt hydrolysiert.
Die letzte Seite der ATP-Bindungstasche wird praktischerweise als "ATP-Deckel" bezeichnet. Die Stabilität dieser Struktur wird durch die Anwesenheit des γ-Phosphats und damit des Mg 2+ -Ions an der Bindungsstelle vermittelt. Auch die Anwesenheit der Nukleotidbase hat sich als signifikante Rolle bei der Stabilisierung des Lids in einer geschlossenen Konformation erwiesen . Der ATP-Deckel ist über hydrophobe Reste mit dem Rest des Proteins verbunden. Das γ-Phosphat von ATP ist etwas exponiert, was eine Dephosphorylierung ermöglicht . Es wird angenommen, dass bei der ATP-Bindung in dieser Tasche eine Konformationsänderung auftritt, die es der Rotation der CA-Domäne ermöglicht, mit dem DHp des anderen Monomers in Kontakt zu kommen und so dem konservierten His-260 ermöglicht, in der Nähe des γ-Phosphats zu ruhen. Das Nε von His-260 greift dann das γ-Phosphat von ATP in einer nukleophilen Addition an und stößt ADP als seine Abgangsgruppe ab.
Rolle bei Pilzinfektionen
Ein Zweikomponentensystem (TCS), das Histidinkinase und ein Regulatorprotein mit variabler Reaktion umfasst , kann für die Virulenz einiger Pilzstämme wie Candida albicans entscheidend sein , die bei immungeschwächten Personen häufig für die Candidose verantwortlich ist . C. albicans mit einer Deletion von CHK1, dem Zweikomponenten-Histidinkinase-Gen, zeigt Defekte in der Morphogenese und eine drastische Abnahme der Fähigkeit der Zelle, der Elimination durch menschliche Neutrophile zu widerstehen . Da dem Menschen dieses Zweikomponentensystem fehlt, kann es ein gutes Ziel für antimikrobielle Wirkstoffe zur Behandlung von Candidiasis sein .
Rolle bei bakteriellen Infektionen
Ähnlich wie bei Pilzen können Zweikomponentensysteme auch bei mehreren persistierenden Bakterieninfektionen gefunden werden. Zum Beispiel wurde berichtet , dass Staphylococcus aureus SrrAB-TCSs verwendet, die aus einem Sensor-HKs (SrrB) bestehen, der eine Phosphatgruppe auf einen Effektorreaktionsregulator (SrrA) überträgt, was zu einer Modifikation der SrrA-Aktivität einschließlich der Genregulation führt. Diese TCSs wurden von S. aureus verwendet, um Veränderungen der Umweltbedingungen zu erkennen und das Signal an ein geeignetes reagierendes System zu übertragen, zum Beispiel werden ica- Gene durch SrrAB induziert, um die Zellzusammenlegung und die Biofilmbildung zu vermitteln, um unter anaeroben Bedingungen zu überleben.
Verweise
Weiterlesen
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