Kinase - Kinase
În biochimie , o kinază este o enzimă care catalizează transferul grupărilor fosfat de la molecule donatoare de fosfat cu energie ridicată pe substraturi specifice . Acest proces este cunoscut sub numele de fosforilare , unde molecula de ATP cu energie ridicată donează o grupă fosfat moleculei substratului . Această transesterificare produce un substrat fosforilat și ADP . În schimb, se numește defosforilare atunci când substratul fosforilat donează o grupare fosfat și ADP câștigă o grupare fosfat (producând un substrat defosforilat și molecula cu energie ridicată a ATP). Aceste două procese, fosforilarea și defosforilarea, apar de patru ori în timpul glicolizei .
Kinazele fac parte din familia mai mare de fosfotransferaze . Kinazele nu trebuie confundate cu fosforilazele , care catalizează adăugarea de grupări anorganice fosfat la un acceptor, nici cu fosfatazele , care elimină grupările fosfat (defosforilare). Starea de fosforilare a unei molecule, indiferent dacă este o proteină , o lipidă sau un carbohidrat , îi poate afecta activitatea, reactivitatea și capacitatea de a lega alte molecule. Prin urmare, kinazele sunt critice în metabolism , semnalizarea celulară , reglarea proteinelor , transportul celular , procesele secretorii și multe alte căi celulare, ceea ce le face foarte importante pentru fiziologia umană.
Biochimie și relevanță funcțională
Kinazele mediază transferul unei porțiuni fosfat de la o moleculă cu energie ridicată (cum ar fi ATP ) la molecula substratului lor, așa cum se vede în figura de mai jos. Kinazele sunt necesare pentru a stabiliza această reacție, deoarece legătura fosfoanohidridă conține un nivel ridicat de energie. Kinazele își orientează în mod corespunzător substratul și grupul fosforil în locurile lor active, ceea ce crește viteza de reacție. În plus, utilizează în mod obișnuit resturi de aminoacizi încărcați pozitiv , care stabilizează electrostatic starea de tranziție prin interacțiunea cu grupările fosfat încărcate negativ. Alternativ, unele kinaze utilizează cofactori metalici legați în siturile lor active pentru a coordona grupările fosfat. Protein kinazele pot fi clasificate ca active catalitic (canonice) sau ca pseudokinaze , reflectând pierderea evolutivă a unuia sau mai multor aminoacizi catalitici care poziționează sau hidrolizează ATP. Cu toate acestea, în ceea ce privește ieșirile de semnalizare și relevanța bolii, atât kinazele, cât și pseudokinazele sunt modulatori de semnalizare importanți în celulele umane, făcând kinazele foarte importante ținte medicamentoase.
Kinazele sunt utilizate pe scară largă pentru a transmite semnale și pentru a regla procesele complexe din celule. Fosforilarea moleculelor poate spori sau inhiba activitatea acestora și le poate modula capacitatea de a interacționa cu alte molecule. Adăugarea și îndepărtarea grupărilor fosforil oferă celulei un mijloc de control, deoarece diferite kinaze pot răspunde la condiții sau semnale diferite. Mutațiile din kinaze care duc la pierderea funcției sau câștigul funcției pot provoca cancer și boli la om, inclusiv anumite tipuri de leucemie și neuroblastoame , glioblastom , ataxie spinocerebeloasă (tip 14), forme de agamaglobulinemie și multe altele .
Istorie și clasificare
Prima proteină care a fost recunoscută ca catalizând fosforilarea altei proteine folosind ATP a fost observată în 1954 de Gene Kennedy, moment în care a descris o enzimă hepatică care a catalizat fosforilarea cazeinei. În 1956, Edmond H. Fischer și Edwin G. Krebs au descoperit că interconversia dintre fosforilaza a și fosforilaza b a fost mediată de fosforilare și defosforilare. Kinaza care a transferat o grupare fosforil la fosforilaza b, transformându-l în fosforilază a, a fost numită fosforilază kinază. Ani mai târziu, a fost identificat primul exemplu de cascadă de kinază, prin care proteina kinaza A (PKA) fosforilează fosforilaza kinază. În același timp, s-a constatat că PKA a inhibat glicogen sintaza , care a fost primul exemplu de eveniment de fosforilare care a dus la inhibare. În 1969, Lester Reed a descoperit că piruvatul dehidrogenază a fost inactivat prin fosforilare și această descoperire a fost primul indiciu că fosforilarea ar putea servi drept mijloc de reglare în alte căi metabolice în afară de metabolismul glicogenului . În același an, Tom Langan a descoperit că PKA fosforilează histona H1, ceea ce sugerează că fosforilarea ar putea regla proteinele neenzimatice. Anii 1970 au inclus descoperirea protein kinazelor dependente de calmodulină și constatarea că proteinele pot fi fosforilate pe mai multe reziduuri de aminoacizi. Anii '90 pot fi descriși drept „deceniul cascadelor de protein kinază”. În acest timp, au fost descoperite căile MAPK / ERK , kinazele JAK (o familie de proteine tirozin kinaze) și cascada kinazei dependente de PIP3.
Kinazele sunt clasificate în grupuri largi după substratul pe care acționează: protein kinaze, lipid kinaze, carbohidrat kinaze. Kinazele pot fi găsite într-o varietate de specii, de la bacterii la mucegai, până la viermi și la mamifere. La om au fost identificate peste cinci sute de kinaze diferite. Diversitatea și rolul lor în semnalizare le face un obiect de studiu interesant. Diverse alte kinaze acționează asupra moleculelor mici, cum ar fi lipidele , carbohidrații , aminoacizii și nucleotidele , fie pentru semnalizare, fie pentru a le prepara pentru căile metabolice. Kinazele specifice sunt deseori denumite după substraturile lor. Protein kinazele au adesea mai multe substraturi, iar proteinele pot servi ca substraturi pentru mai multe kinaze specifice. Din acest motiv, protein kinazele sunt denumite în funcție de ceea ce le reglează activitatea (adică protein kinaze dependente de Calmodulin). Uneori, acestea sunt subdivizate în categorii, deoarece există mai multe forme izoenzimatice. De exemplu, protein kinazele dependente de tipul I și tipul II AMP au subunități catalitice identice, dar subunități de reglare diferite care leagă AMP ciclic.
Protein kinaze
Protein kinazele acționează asupra proteinelor, fosforilându-le pe resturile lor de serină, treonină, tirozină sau histidină. Fosforilarea poate modifica funcția unei proteine în multe feluri. Poate crește sau reduce activitatea unei proteine, o poate stabiliza sau marca pentru distrugere, o poate localiza într-un compartiment celular specific și poate iniția sau perturba interacțiunea cu alte proteine. Protein kinaze alcătuiesc majoritatea tuturor kinazelor și sunt studiate pe scară largă. Aceste kinaze, împreună cu fosfatazele , joacă un rol major în reglarea proteinelor și enzimelor , precum și în semnalizarea în celulă.
Un punct comun de confuzie apare atunci când se gândește la diferitele moduri în care o celulă realizează reglarea biologică. Există nenumărate exemple de modificări covalente pe care le pot suferi proteinele celulare; cu toate acestea, fosforilarea este una dintre puținele modificări covalente reversibile. Acest lucru a furnizat rațiunea că fosforilarea proteinelor este reglatoare. Potențialul de a regla funcția proteinelor este enorm, având în vedere că există multe modalități de a modifica covalent o proteină în plus față de reglarea furnizată de controlul alosteric. În conferința sa Memorială Hopkins, Edwin Krebs a afirmat că controlul alosteric a evoluat pentru a răspunde la semnale care apar din interiorul celulei, în timp ce fosforilarea a evoluat pentru a răspunde la semnale în afara celulei. Această idee este în concordanță cu faptul că fosforilarea proteinelor are loc mult mai frecvent în celulele eucariote în comparație cu celulele procariote, deoarece tipul celular mai complex a evoluat pentru a răspunde la o gamă mai largă de semnale.
Kinazele dependente de ciclină
Kinazele dependente de ciclină (CDK) sunt un grup de mai multe kinaze diferite implicate în reglarea ciclului celular . Aceștia fosforilează alte proteine pe reziduurile lor de serină sau treonină, dar CDK-urile trebuie mai întâi să se lege de o proteină ciclină pentru a fi active. Diferite combinații de CDK-uri și cicline specifice marchează diferite părți ale ciclului celular. În plus, starea de fosforilare a CDK-urilor este, de asemenea, critică pentru activitatea lor, deoarece acestea sunt supuse reglării de către alte kinaze (cum ar fi kinaza care activează CDK ) și fosfataze (cum ar fi Cdc25 ). Odată ce CDK-urile sunt active, ele fosforilează alte proteine pentru a-și schimba activitatea, ceea ce duce la evenimente necesare pentru etapa următoare a ciclului celular. În timp ce acestea sunt cele mai cunoscute pentru funcția lor în controlul ciclului celular, CDK-urile au și roluri în transcriere, metabolism și alte evenimente celulare.
Datorită rolului lor cheie în controlul diviziunii celulare, mutațiile CDK se găsesc adesea în celulele canceroase. Aceste mutații duc la creșterea necontrolată a celulelor, unde trec rapid în întregul ciclu celular în mod repetat. Mutațiile CDK pot fi găsite în limfoame , cancer de sân , tumori pancreatice și cancer pulmonar . Prin urmare, inhibitorii CDK au fost dezvoltați ca tratamente pentru unele tipuri de cancer.
Protein kinaze activate de mitogen
MAP kinazele (MAPK) sunt o familie de serină / treonină kinaze care răspund la o varietate de semnale de creștere extracelulare. De exemplu, hormonul de creștere, factorul de creștere epidermic, factorul de creștere derivat din trombocite și insulina sunt toți considerați stimuli mitogeni care pot angaja calea MAPK. Activarea acestei căi la nivelul receptorului inițiază o cascadă de semnalizare prin care Ras GTPase schimbă PIB-ul cu GTP . Apoi, Ras activează kinaza Raf (cunoscută și sub numele de MAPKKK), care activează MEK (MAPKK). MEK activează MAPK (cunoscut și sub numele de ERK), care poate continua să regleze transcrierea și traducerea . În timp ce RAF și MAPK sunt ambele serină / treonină kinaze, MAPKK este o tirozină / treonină kinază.
MAPK poate regla direct sau indirect factorii de transcripție. Principalele sale ținte transcripționale includ ATF-2, Chop, c-Jun, c-Myc, DPC4, Elk-1, Ets1, Max, MEF2C, NFAT4, Sap1a, STATs, Tal, p53, CREB și Myc. MAPK poate regla, de asemenea, traducerea fosforilând kinaza S6 în subunitatea ribozomală mare. De asemenea, poate fosforila componente în porțiunea amonte a cascadei de semnalizare MAPK, inclusiv Ras, Sos și receptorul EGF în sine.
Potențialul cancerigen al căii MAPK îl face semnificativ clinic. Este implicat în procesele celulare care pot duce la creșterea necontrolată și la formarea ulterioară a tumorii. Mutațiile din această cale modifică efectele sale de reglementare asupra diferențierii celulare , proliferării, supraviețuirii și apoptozei , toate acestea fiind implicate în diferite forme de cancer .
Kinazele lipidice
Kinazele lipidice fosforilează lipidele din celulă, atât pe membrana plasmatică, cât și pe membranele organelor. Adăugarea grupărilor fosfat poate schimba reactivitatea și localizarea lipidei și poate fi utilizată în transmiterea semnalului.
Fosfatidilinozitol kinaze
Fosfatidilinozitol kinazele fosforilează specii fosfatidilinozitol , pentru a crea specii precum fosfatidilinozitol 3,4-bisfosfat (PI (3,4) P 2 ), fosfatidilinozitol 3,4,5-trisfosfat (PIP 3 ) și fosfatidilinozit 3-fosfat (PI3P). Kinazele includ phosphoinositide 3-kinazei (PI3K), fosfatidilinozitol-4-fosfat 3-kinazei , și fosfatidilinozitol-4,5-bifosfat 3-kinazei . Starea de fosforilare a fosfatidilinozitolului joacă un rol major în semnalizarea celulară , cum ar fi în calea de semnalizare a insulinei și are, de asemenea, roluri în endocitoză , exocitoză și alte evenimente de trafic. Mutațiile din aceste kinaze, cum ar fi PI3K, pot duce la rezistență la cancer sau insulină .
Enzimele kinazice măresc viteza reacțiilor făcând gruparea hidroxil inozitol mai nucleofilă, folosind adesea lanțul lateral al unui reziduu de aminoacizi pentru a acționa ca bază generală și deprotonarea hidroxilului, așa cum se vede în mecanismul de mai jos. Aici, o reacție între adenozin trifosfat (ATP) și fosfatidilinozitol este coordonată. Rezultatul final este un fosfatidilinozitol-3-fosfat, precum și adenozin difosfat (ADP) . Enzimele pot ajuta, de asemenea, la orientarea corectă a moleculei de ATP, precum și a grupului inozitol, pentru a face reacția să se desfășoare mai repede. Ionii metalici sunt adesea coordonați în acest scop.
Sfingozin kinaze
Sfingozin kinaza (SK) este o lipid kinază care catalizează conversia sfingozinei în sfingozină-1-fosfat (S1P). Sfingolipidele sunt lipide de membrană omniprezente. La activare, sfingozin kinaza migrează de la citosol la membrana plasmatică unde transferă un fosfat γ (care este ultimul sau fosfatul terminal) de la ATP sau GTP la sfingozină. Receptorul S1P este un receptor GPCR , deci S1P are capacitatea de a regla semnalizarea proteinei G. Semnalul rezultat poate activa efectori intracelulari precum ERKs, Rho GTPase , Rac GTPase , PLC și AKT / PI3K. De asemenea, își poate exercita efectul asupra moleculelor țintă din interiorul celulei. S-a demonstrat că S1P inhibă direct activitatea histonei deacetilază a HDAC-urilor . În schimb, sfingozina defosforilată promovează apoptoza celulară și, prin urmare, este esențial să înțelegem reglarea SK-urilor datorită rolului său în determinarea destinului celular. Cercetările anterioare arată că SK-urile pot susține creșterea celulelor canceroase, deoarece promovează proliferarea celulară, iar SK1 (un tip specific de SK) este prezent la concentrații mai mari în anumite tipuri de cancer.
Există două kinaze prezente în celulele mamiferelor, SK1 și SK2. SK1 este mai specific în comparație cu SK2, iar modelele lor de expresie diferă, de asemenea. SK1 este exprimat în celule pulmonare, splinice și leucocitare, în timp ce SK2 este exprimat în celule renale și hepatice. Implicarea acestor două kinaze în supraviețuirea, proliferarea, diferențierea și inflamația celulelor le face candidate viabile pentru terapii chimioterapeutice .
Carbohidrati kinaze
Pentru multe mamifere, carbohidrații asigură o mare parte din necesarul caloric zilnic . Pentru a recolta energia din oligozaharide , acestea trebuie mai întâi descompuse în monozaharide, astfel încât să poată intra în metabolism . Kinazele joacă un rol important în aproape toate căile metabolice. Figura din stânga prezintă a doua fază a glicolizei , care conține două reacții importante catalizate de kinaze. Legătura anhidridă din 1,3 bisfosfoglicerat este instabilă și are o energie ridicată. 1,3-bisfosfogilceratul kinază necesită ADP pentru a-și desfășura reacția producând 3-fosfoglicerat și ATP. În etapa finală a glicolizei, piruvat kinaza transferă o grupare fosforil din fosfoenolpiruvat în ADP, generând ATP și piruvat.
Hexokinaza este cea mai frecventă enzimă care folosește glucoza atunci când intră pentru prima dată în celulă. Transformă D-glucoza în glucoză-6-fosfat prin transferarea fosfatului gamma al unui ATP în poziția C6. Acesta este un pas important în glicoliză, deoarece captează glucoza în interiorul celulei din cauza sarcinii negative. În forma sa defosforilată, glucoza se poate deplasa înainte și înapoi pe membrană foarte ușor. Mutațiile genei hexokinazei pot duce la un deficit de hexokinază care poate provoca anemie hemolitică nonsferocitară.
Phosphofructokinase , sau PFK, catalizează conversia fructozei-6-fosfat în fructoză-1,6-bisfosfat și este un punct important în reglarea glicolizei. Nivelurile ridicate de ATP, H + și citrat inhibă PFK. Dacă nivelurile de citrat sunt ridicate, înseamnă că glicoliza funcționează la o rată optimă. Nivelurile ridicate de AMP stimulează PFK. Boala Tarui , o boală de stocare a glicogenului care duce la intoleranță la efort, se datorează unei mutații a genei PFK care îi reduce activitatea.
Alte kinaze
Kinazele acționează asupra multor alte molecule în afară de proteine, lipide și carbohidrați. Există multe care acționează asupra nucleotidelor (ADN și ARN), inclusiv cele implicate în interconversia nucleotidică, cum ar fi nucleozid-fosfat kinaze și nucleozid-difosfat kinaze . Alte molecule mici care sunt substraturi ale kinazelor includ creatina , fosfogliceratul , riboflavina , dihidroxiacetonă , shikima și multe altele.
Riboflavin kinază
Riboflavin kinaza catalizează fosforilarea riboflavinei pentru a crea flavină mononucleotidă (FMN). Are un mecanism de legare ordonat în care riboflavina trebuie să se lege de kinază înainte de a se lega de molecula ATP. Cationii divalenți ajută la coordonarea nucleotidei . Mecanismul general este prezentat în figura de mai jos.
Riboflavin kinaza joacă un rol important în celule, deoarece FMN este un cofactor important . FMN este, de asemenea, un precursor al flavin adenine dinucleotide (FAD), un cofactor redox utilizat de multe enzime, inclusiv multe în metabolism . De fapt, există unele enzime care sunt capabile să efectueze atât fosforilarea riboflavinei la FMN , cât și reacția FMN la FAD . Riboflavin kinaza poate ajuta la prevenirea accidentului vascular cerebral și ar putea fi utilizată ca tratament în viitor. Este, de asemenea, implicat în infecție, atunci când este studiat la șoareci.
Timidin kinaza
Timidin kinaza este una dintre numeroasele nucleozide kinaze care sunt responsabile de fosforilarea nucleozidelor. Fosforilează timidina pentru a crea timidină monofosfat (dTMP). Această kinază folosește o moleculă de ATP pentru a furniza fosfatul la timidină, așa cum se arată mai jos. Acest transfer al unui fosfat de la o nucleotidă la alta de către timidin kinază, precum și alte nucleozide și nucleotide kinaze, funcționează pentru a ajuta la controlul nivelului fiecăruia dintre diferitele nucleotide.
După crearea moleculei de dTMP, o altă kinază, timidilat kinaza , poate acționa asupra dTMP pentru a crea forma difosfat , dTDP. Nucleozid difosfat kinaza catalizează producția de timidin trifosfat , dTTP, care este utilizat în sinteza ADN-ului . Din această cauză, activitatea timidin kinazei este strâns corelată cu ciclul celular și este utilizată ca marker tumoral în chimia clinică . Prin urmare, poate fi folosit uneori pentru a prezice prognosticul pacientului. Pacienții cu mutații ale genei timidin kinazei pot avea un anumit tip de sindrom de epuizare a ADN-ului mitocondrial , o boală care duce la deces în copilăria timpurie.
Vezi si
- Bucla de activare
- Autofosforilare
- Ca 2+ / protein kinază dependentă de calmodulin
- Semnalizare celulară
- Kinaza dependentă de ciclină
- Receptor cuplat cu proteina G
- Nucleozid-difosfat kinază
- Fosfatază
- Fosfatidilinozitol fosfat kinaze
- Fosfolipid
- Fosfoproteina
- Fosforilarea
- Fosfotransferaza
- Transducția semnalului
- Timidin kinaza
- Timidin kinaza în chimia clinică
- Timidilat kinaza
- Kinază asociată cu peretele
