Phosphorylasekinase - Phosphorylase kinase

Phosphorylasekinase
PhK 1QL6 gamma klein.png
Katalytische (gamma) Untereinheit der Phosphorylasekinase
Identifikatoren
EG-Nr. 2.7.11.19
CAS-Nr. 9001-88-1
Datenbanken
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MetaCyc Stoffwechselweg
PRIAM Profil
PDB- Strukturen RCSB PDB PDBe PDBsum

Phosphorylase-Kinase (PhK) ist eine Serin/Threonin-spezifische Proteinkinase, die Glykogen-Phosphorylase aktiviert , um Glucose-1-Phosphat aus Glykogen freizusetzen . PhK phosphoryliert Glykogen-Phosphorylase an zwei Serin-Resten, was eine Konformationsverschiebung auslöst, die die aktivere Glykogen-Phosphorylase-Form „a“ gegenüber der weniger aktiven Glykogen-Phosphorylase b begünstigt.

Das Protein ist ein hexadecameres Holoenzym – d. h. ein Homotetramer, bei dem jede Untereinheit selbst ein Tetramer ist –, das ungefähr in Form eines „Schmetterlings“ angeordnet ist. Jede der Untereinheiten besteht aus einer α-, β-, - und δ-Untereinheit. Die γ-Untereinheit ist der Ort der katalytischen Aktivität des Enzyms, während die anderen drei Untereinheiten regulatorische Funktionen erfüllen.

Wenn sie nicht modifiziert sind, hemmen die α- und β-Untereinheiten die Katalyse des Enzyms, aber die Phosphorylierung dieser beiden Untereinheiten durch Proteinkinase A (PKA oder cAMP- abhängige Proteinkinase) verringert ihre jeweiligen inhibitorischen Aktivitäten. Die δ-Untereinheit ist das ubiquitäre eukaryontische Protein Calmodulin, das selbst 4 Calciumionen-Bindungsstellen besitzt. Wenn der zytosolische Ca 2+ -Spiegel bis auf 10 −7 M ansteigt, erfährt die δ-Untereinheit eine große Konformationsänderung, die die Aktivität der Kinase durch Bindung an ein komplementäres hydrophobes Pflaster auf der katalytischen γ-Untereinheit aktiviert .

Gene

Geschichte

Phosphorylase-Kinase war die erste Proteinkinase, die isoliert und detailliert charakterisiert wurde, zuerst von Krebs, Graves und Fischer in den 1950er Jahren. Zu dieser Zeit war sich die wissenschaftliche Gemeinschaft der Bedeutung der Proteinphosphorylierung bei der Regulierung zellulärer Prozesse weitgehend nicht bewusst, und viele auf diesem Gebiet taten Phosphoproteine ​​​​als biologisch unwichtig ab. Da die kovalente Modifikation durch Phosphorylierung eine weit verbreitete, wichtige Methode der biochemischen Regulation in einer Vielzahl von zellulären Prozessen ist, hat die Entdeckung dieser Reaktion einen enormen Einfluss auf das wissenschaftliche Verständnis von Regulationsmechanismen.

Das Substrat von PhK, die Glykogenphosphorylase, wurde in den 1930er Jahren von Carl und Gerty Cori isoliert, die zwei Formen feststellten: eine inaktive Form b und eine aktive Form a. Die einzige Möglichkeit, die Glykogen-Phosphorylase a aus dem Muskelgewebe zu isolieren, war aus damals unbekannten Gründen jedoch die Papierfiltration – andere Methoden wie die Zentrifugation funktionierten nicht. Es war eine kritische Einsicht von Fischer et al. dass es die Anwesenheit von Calciumionen im Filterpapier war, die die aktive Isoform „a“ erzeugten. Spätere Forschungen zeigten, dass die Calciumionen tatsächlich die Phosphorylase-Kinase über die -regulatorische Untereinheit aktivierten, was zur Phosphorylierung der Glykogen-Phosphorylase führte.

Mechanismus

Die genauen Details des katalytischen Mechanismus der PhK werden noch untersucht. Obwohl dies angesichts der Isolierung vor über 50 Jahren überraschend erscheinen mag, gibt es aufgrund seiner Größe und Komplexität erhebliche Schwierigkeiten, die feineren Details der Struktur und des Mechanismus von PhK zu untersuchen. Im aktiven Zentrum besteht eine signifikante Homologie zwischen PhK und anderen sogenannten P-Loop-Proteinkinasen wie der Proteinkinase A (PKA, cAMP-abhängige Kinase). Im Gegensatz zu diesen anderen Proteinen, die typischerweise die Phosphorylierung eines Serin- oder Tyrosinrestes im katalytischen Zentrum erfordern , um aktiv zu sein, ist die katalytische γ-Untereinheit von PhK aufgrund des Vorhandenseins eines negativ geladenen Glutamatrests, Glu-182, konstitutiv aktiv.

Strukturelle und biochemische Daten legen nahe, dass ein möglicher Wirkmechanismus für die Phosphorylierung von Glykogenphosphorylase durch PhK die direkte Übertragung von Phosphat von Adenosintriphosphat (ATP) auf das Substrat Serin umfasst .

Struktur

Phosphorylasekinase ist ein 1,3 MDa hexadecamerisches Holoenzym, obwohl seine Größe aufgrund der Substitution verschiedener Untereinheiten-Isoformen durch mRNA-Spleißen etwas variieren kann. Es besteht aus vier Homotetrameren mit jeweils vier Untereinheiten (α,β,δ,γ). Nur die γ-Untereinheit besitzt katalytische Aktivität, während die anderen regulatorische Funktionen erfüllen. Aufgrund der Instabilität der regulatorischen Untereinheiten in Lösung wurde nur die γ-Untereinheit einzeln kristallisiert:

Insgesamt sind die Untereinheiten in zwei Rücken an Rücken orientierten Lappen in einer sogenannten "Schmetterlings"-Form mit D2-Symmetrie angeordnet. Jeder Lappen besteht aus zwei Tetrameren, die jeweils aus den αβδγ-Untereinheiten bestehen, wie zuvor beschrieben. Die δ-Untereinheit ist von zellulärem Calmodulin nicht zu unterscheiden , während die α- und β-Untereinheiten enge Homologe voneinander sind, von denen angenommen wird, dass sie durch Genduplikation und anschließende Differenzierung entstanden sind.

Biologische Funktion und Regulation

Überblick über die Phosphorylase-Kinase-Regulierung.

Physiologisch spielt die Phosphorylasekinase die wichtige Rolle, den Glykogenabbau in freies Glucose-1-phosphat zu stimulieren, indem sie Glykogenphosphorylase phosphoryliert und ihre aktive Konformation stabilisiert. Diese Aktivität ist in Leber- und Muskelzellen besonders wichtig, wenn auch für etwas andere Zwecke. Während Muskelzellen im Allgemeinen Glykogen abbauen, um ihre unmittelbare Aktivität anzukurbeln, sind Leberzellen für die Aufrechterhaltung der Glukosekonzentration im Blutkreislauf verantwortlich. Somit variieren die Regulationsmechanismen der PhK-Aktivität je nach Zelltyp etwas.

Im Allgemeinen wird das Enzym allosterisch und durch reversible Phosphorylierung reguliert . Hormone, Nervenimpulse und Muskelkontraktion stimulieren die Freisetzung von Calciumionen. Diese wirken als allosterischer Aktivator, binden an die δ-Untereinheiten der Phosphorylasekinase und aktivieren teilweise die Enzymaktivität. Diese Bindung stabilisiert das Protein teilweise in der aktiven Form. Die Phosphorylasekinase ist vollständig aktiviert, wenn die β- und α-Untereinheiten durch Proteinkinase A phosphoryliert sind und die Delta-Untereinheit an Calciumionen gebunden hat.

In Muskelzellen ist die Phosphorylierung der α- und β-Untereinheiten durch PKA das Ergebnis einer cAMP-vermittelten Zellsignalkaskade, die durch die Bindung von Epinephrin an β-adrenerge Rezeptoren auf der Zelloberfläche initiiert wird . Darüber hinaus inaktiviert die Freisetzung von Calciumionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum während der Muskelkontraktion die inhibitorische δ-Untereinheit und aktiviert PhK vollständig.

Bei Leberzellen ist der Vorgang etwas komplexer. Sowohl Glucagon als auch Adrenalin können die cAMP-PKA-Kaskade auslösen, während Adrenalin auch an den α-adrenergen Rezeptor bindet, um eine Phosphoinositid-Kaskade auszulösen, was zur Freisetzung von Ca 2+ aus dem endoplasmatischen Retikulum führt .

Wenn die Zelle braucht Glykogenabbau zu stoppen, wird PhK dephosphoryliert durch Protein - Phosphatasen 1 und 2, die die α und β - Untereinheiten auf ihre anfänglichen inhibitorische Konfiguration zurückkehrt.

Zusammenhang mit Krankheit

Defekte der Phosphorylase-Kinase-Gene sind die Ursache der Glykogenspeicherkrankheit Typ IX (GSD Typ IX) und GSD Typ VI (früher GSD Typ VIII ), die Leber und/oder Muskeln befallen können. Unter diesen Gendefekten, einige der häufigsten sind die X-chromosomal Leber Glycogenose (XLG) Krankheiten, die in XLG I und II XLG unterteilt werden kann. Klinisch manifestieren sich diese Erkrankungen in einer langsamen Körperentwicklung im Kindesalter und einer abnormalen Vergrößerung der Leber. Bei XLG I ist die PhK-Aktivität sowohl in Blutzellen als auch in Leberzellen abnormal reduziert, während bei XLG II die Enzymaktivität nur in Leberzellen vermindert ist. Beide Erkrankungen sind auf Mutationen im PHKA2-Gen zurückzuführen, das für die α-Untereinheit der Phosphorylasekinase kodiert. Im Fall von XLG I sind Mutationen oft Nonsense-Mutationen, die zu missgebildeten, instabilen α-Untereinheiten führen, während Mutationen in XLG II dazu neigen, Missense- Veränderungen zu sein, die die Untereinheiten weniger stark verändern. Basierend auf bioinformatischen und strukturellen Daten haben einige vorgeschlagen, dass die α- und β-Untereinheiten eine katalytische Aktivität ähnlich der von Glycoamylasen aufweisen können und dass Missense-Mutationen in diesen Regionen der α-Untereinheit zu den Symptomen von XLG II beitragen können. Diese vorgeschlagene katalytische Aktivität muss jedoch noch direkt nachgewiesen werden.

Siehe auch

Verweise

Externe Links