Kináz - Kinase
A biokémia , a kináz egy olyan enzim, amely katalizálja az átadása foszfát csoportok a nagy energiájú , foszfát-donor molekulákat specifikus szubsztrátok . Ezt a folyamatot foszforilezésnek nevezik , ahol a nagy energiájú ATP molekula foszfátcsoportot adományoz a szubsztrátmolekulának . Ez az átészterezés foszforilezett szubsztrátot és ADP -t eredményez . Ezzel szemben defoszforilációnak nevezik, amikor a foszforilezett szubsztrát foszfátcsoportot adományoz, és az ADP foszfátcsoportot szerez (defoszforilált szubsztrátot és az ATP nagy energiájú molekuláját állítva elő). Ez a két folyamat, a foszforiláció és a defoszforiláció négyszer fordul elő a glikolízis során .
A kinázok a foszfotranszferázok nagyobb családjának részei . A kinázokat nem szabad összetéveszteni a foszforilázzal , amely katalizálja a szervetlen foszfátcsoportok hozzáadását az akceptorhoz, sem a foszfatázzal , amely eltávolítja a foszfátcsoportokat (defoszforiláció). A molekula foszforilációs állapota, legyen az fehérje , lipid vagy szénhidrát , befolyásolhatja annak aktivitását, reakcióképességét és más molekulák megkötésének képességét. Ezért a kinázok kulcsfontosságúak az anyagcserében , a sejtjelekben , a fehérjék szabályozásában , a sejtszállításban , a szekréciós folyamatokban és sok más sejtútban, ami nagyon fontosá teszi őket az emberi fiziológia szempontjából.
Biokémia és funkcionális relevancia
A kinázok közvetítik a foszfátrész átvitelét egy nagy energiájú molekulából (például ATP ) a szubsztrát molekulájába, amint az az alábbi ábrán látható. A reakció stabilizálásához kinázokra van szükség, mivel a foszfo -anhidrid kötés magas szintű energiát tartalmaz. A kinázok megfelelően orientálják szubsztrátumukat és a foszforilcsoportot aktív helyeiken belül, ami növeli a reakció sebességét. Ezenkívül általában pozitív töltésű aminosavmaradékokat használnak , amelyek elektrosztatikusan stabilizálják az átmeneti állapotot a negatív töltésű foszfátcsoportokkal való kölcsönhatás révén. Alternatív megoldásként egyes kinázok kötött fém kofaktorokat használnak aktív helyükön a foszfátcsoportok koordinálásához. A protein -kinázokat katalitikusan aktív (kanonikus) vagy pszeudokinázokba lehet sorolni , tükrözve az ATP -t pozicionáló vagy hidrolizáló katalitikus aminosavak egy vagy több evolúciós veszteségét. Mindazonáltal a jelzési kimenetek és a betegség relevanciája szempontjából mind a kinázok, mind a pszeudokinázok fontos jelátviteli modulátorok az emberi sejtekben, így a kinázok nagyon fontos gyógyszercélpontok.
A kinázokat széles körben használják jelek továbbítására és a sejtek komplex folyamatainak szabályozására. A molekulák foszforilezése fokozhatja vagy gátolhatja aktivitásukat, és módosíthatja más molekulákkal való kölcsönhatás képességét. A foszforilcsoportok hozzáadása és eltávolítása biztosítja a sejt számára a szabályozás lehetőségét, mivel a különböző kinázok különböző körülményekre vagy jelekre reagálhatnak. A kinázok mutációi, amelyek funkcióvesztéshez vagy funkcióvesztéshez vezetnek, rákot és betegségeket okozhatnak az emberekben, beleértve bizonyos típusú leukémiát és neuroblasztómákat , glioblasztómát , spinocerebellar ataxiát (14. típus), az agammaglobulinaemia formáit és még sok mást .
Történelem és osztályozás
Gene Kennedy 1954 -ben figyelte meg az első fehérjét, amelyet egy másik fehérje ATP -t alkalmazó foszforilációját katalizáló katalizátorként ismertek fel . 1956 -ban Edmond H. Fischer és Edwin G. Krebs felfedezték, hogy a foszforiláz és b foszforiláz közötti konverziót a foszforilezés és a defoszforiláció közvetíti. Azt a kinázt, amely egy foszforilcsoportot foszforiláz b -ba transzferált, és a foszforilázává alakított, foszforiláz kináznak nevezték el. Évekkel később azonosították a kináz kaszkád első példáját, amely során a protein -kináz A (PKA) foszforilálja a foszforiláz -kinázt. Ugyanakkor azt találtuk, hogy a PKA gátolja a glikogén szintetázt , ami az első példa volt a gátlást eredményező foszforilációs eseményre. 1969 -ben Lester Reed felfedezte, hogy a piruvát -dehidrogenázt foszforilezéssel inaktiválják, és ez a felfedezés volt az első nyom, amely szerint a foszforiláció a glikogén -anyagcsere mellett más metabolikus utak szabályozásának eszközeként is szolgálhat . Ugyanebben az évben Tom Langan felfedezte, hogy a PKA foszforilálja a H1 hisztont, ami azt sugallta, hogy a foszforiláció szabályozhatja a nem enzimatikus fehérjéket. Az 1970-es évek során felmerült a kalmodulin-függő protein-kinázok felfedezése, valamint az a megállapítás, hogy a fehérjék egynél több aminosavmaradékon foszforilálhatók. Az 1990 -es éveket a "protein -kináz kaszkádok évtizedének" nevezhetjük. Ez idő alatt fedezték fel a MAPK/ERK útvonalat , a JAK kinázokat (fehérje tirozin kinázok családja) és a PIP3-függő kináz kaszkádot.
A kinázokat széles csoportokba sorolják aszerint, hogy milyen szubsztráton hatnak: protein -kinázok, lipid -kinázok, szénhidrát -kinázok. A kinázok számos fajban megtalálhatók, a baktériumoktól a penészgombán át a férgeken át az emlősökig. Több mint ötszáz különböző kinázt azonosítottak emberekben. Sokféleségük és a jelzésben betöltött szerepük teszi őket érdekes tanulmányozási tárgysá. Különböző más kinázok hatnak a kis molekulákra, például lipidekre , szénhidrátokra , aminosavakra és nukleotidokra , akár jelzésként, akár az anyagcsereutak előkészítéséhez. A specifikus kinázokat gyakran szubsztrátaikról nevezik el. A protein -kinázok gyakran több szubsztráttal rendelkeznek, és a fehérjék egynél több specifikus kináz szubsztrátjaként szolgálhatnak. Ezért a protein-kinázokat annak alapján nevezik el, hogy mi szabályozza aktivitásukat (pl. Calmodulin-függő protein-kinázok). Néha tovább oszthatók kategóriákra, mivel több izoenzimatikus forma létezik. Például az I. és II. Típusú ciklikus-AMP-függő protein-kinázok azonos katalitikus alegységekkel rendelkeznek, de különböző szabályozó alegységekkel rendelkeznek, amelyek megkötik a ciklikus AMP-t.
Fehérje kinázok
A protein -kinázok úgy hatnak a fehérjékre, hogy foszforilezik azokat szerin-, treonin-, tirozin- vagy hisztidin -maradékaikon. A foszforilezés sokféleképpen módosíthatja a fehérje működését. Növelheti vagy csökkentheti a fehérje aktivitását, stabilizálhatja vagy megsemmisítésre jelölheti, lokalizálhatja egy adott sejtrészben, és kezdeményezheti vagy megzavarhatja más fehérjékkel való kölcsönhatását. A protein kinázok teszik ki az összes kináz nagy részét, és széles körben tanulmányozzák. Ezek a kinázok a foszfatázokkal együtt nagy szerepet játszanak a fehérjék és enzimek szabályozásában, valamint a sejtben történő jelátvitelben.
Gyakori zavartság merül fel, ha arra gondolunk, hogy a sejt milyen módon éri el a biológiai szabályozást. Számtalan példa van kovalens módosításokra, amelyeket a sejtfehérjék elvégezhetnek; a foszforilezés azonban azon kevés reverzibilis kovalens módosítások egyike. Ez azt az indoklást szolgáltatta, hogy a fehérjék foszforilezése szabályozó. A fehérjék működésének szabályozásának lehetősége óriási, mivel az alloszterikus kontroll által biztosított szabályozás mellett számos módja van a fehérje kovalens módosítására. Edwin Krebs Hopkins -emlékelőadásában azt állította, hogy az alloszterikus kontroll úgy fejlődött ki, hogy reagáljon a sejt belsejéből érkező jelekre, míg a foszforiláció úgy fejlődött, hogy válaszoljon a sejten kívüli jelekre. Ez az elképzelés összhangban van azzal a ténnyel, hogy a fehérjék foszforilációja sokkal gyakrabban fordul elő az eukarióta sejtekben , mint a prokarióta sejtekben, mivel a bonyolultabb sejttípus úgy fejlődött ki, hogy válaszoljon a jelek szélesebb körére.
Ciklinfüggő kinázok
A ciklinfüggő kinázok (CDK -k) a sejtciklus szabályozásában részt vevő számos különböző kináz csoportja . Más fehérjéket foszforilálnak szerin- vagy treonin -maradékaikon, de a CDK -knak először kötődniük kell egy ciklin fehérjéhez, hogy aktívak legyenek. A specifikus CDK -k és ciklinek különböző kombinációi jelzik a sejtciklus különböző részeit. Ezenkívül a CDK-k foszforilációs állapota is kritikus a tevékenységük szempontjából, mivel más kinázok (például CDK-aktiváló kináz ) és foszfatázok (például Cdc25 ) szabályozzák őket. Amint a CDK -k aktívak, más fehérjéket foszforileznek, hogy megváltoztassák aktivitásukat, ami a sejtciklus következő szakaszához szükséges eseményekhez vezet. Bár a CDK -k leginkább a sejtciklus -szabályozásukban betöltött szerepükről ismertek, a transzkripcióban, az anyagcserében és más sejtes eseményekben is szerepet játszanak.
A sejtosztódást szabályozó kulcsszerepük miatt a CDK -k mutációi gyakran megtalálhatók a rákos sejtekben. Ezek a mutációk a sejtek ellenőrizetlen növekedéséhez vezetnek, ahol gyorsan ismételten végighaladnak a teljes sejtcikluson. A CDK mutációk megtalálhatók limfómákban , emlőrákban , hasnyálmirigy -daganatokban és tüdőrákban . Ezért a rák egyes típusainak kezelésére a CDK inhibitorokat fejlesztették ki.
Mitogén aktivált protein kinázok
A MAP kinázok (MAPK -k) a szerin/treonin kinázok családja, amelyek különféle extracelluláris növekedési jelekre reagálnak. Például a növekedési hormon, az epidermális növekedési faktor, a vérlemezke-eredetű növekedési faktor és az inzulin mind mitogén ingerek, amelyek bekapcsolódhatnak a MAPK útjába. Ennek az útvonalnak a receptor szintjén történő aktiválása jelátviteli kaszkádot indít el, amelynek során a Ras GTPáz kicseréli a GDP -t a GTP -re . Ezután a Ras aktiválja a Raf kinázt (más néven MAPKKK), amely aktiválja a MEK -t (MAPKK). A MEK aktiválja a MAPK -t (más néven ERK -t), amely tovább szabályozhatja az átírást és a fordítást . Míg a RAF és a MAPK egyaránt szerin/treonin kináz, addig a MAPKK egy tirozin/treonin kináz.
A MAPK közvetlenül vagy közvetve szabályozhatja a transzkripciós faktorokat. Főbb transzkripciós célpontjai közé tartozik az ATF-2, a Chop, a c-Jun, a c-Myc, a DPC4, az Elk-1, az Ets1, a Max, a MEF2C, az NFAT4, a Sap1a, a STATs, a Tal, p53, a CREB és a Myc. A MAPK a transzlációt is szabályozhatja az S6 kináz foszforilezésével a nagy riboszómális alegységben. Foszforilálhat komponenseket is a MAPK jelátviteli kaszkád felső szakaszában, beleértve a Ras, Sos és magát az EGF -receptort .
A MAPK útvonal rákkeltő hatása miatt klinikailag jelentős. Részt vesz a sejtfolyamatokban, amelyek ellenőrizetlen növekedéshez és későbbi daganatképződéshez vezethetnek. Az ezen az útvonalon belüli mutációk megváltoztatják a sejtek differenciálódására , proliferációjára, túlélésére és apoptózisára gyakorolt szabályozó hatását , amelyek mindegyike összefügg a rák különböző formáival .
Lipid kinázok
A lipid -kinázok foszforilálják a lipideket a sejtben, mind a plazmamembránon, mind az organellák membránjain. A foszfátcsoportok hozzáadása megváltoztathatja a lipid reakcióképességét és lokalizációját, és felhasználható a jelátvitelben.
Foszfatidilinozitol -kinázok
A foszfatidil-inozitol-kinázok foszforilálják a foszfatidil-inozitol- fajokat, és olyan fajokat hoznak létre, mint a foszfatidil-inozit-3,4-biszfoszfát (PI (3,4) P 2 ), a foszfatidil-inozitol-3,4,5-trifoszfát (PIP 3 ) és a foszfatidil-inozitol-3-foszfát (PI3P). A kinázok közé tartozik a foszfoinozitid-3-kináz (PI3K), a foszfatidil-inozitol-4-foszfát-3-kináz és a foszfatidil-inozitol-4,5-biszfoszfát-3-kináz . A foszfatidil -inozitol foszforilációs állapota nagy szerepet játszik a sejtek jelátvitelében , például az inzulin jelátviteli útvonalában, és szerepet játszik az endocitózisban , exocitózisban és más emberkereskedelmi eseményekben is. Ezen kinázok, például a PI3K mutációi rákhoz vagy inzulinrezisztenciához vezethetnek .
A kináz enzimek megnövelik a reakciók sebességét azáltal, hogy az inozitol -hidroxil -csoportot nukleofilabbá teszik, gyakran egy aminosav -oldalláncot használva általános bázisként és a hidroxil -csoport deprotonálására , amint az az alábbi mechanizmusban látható. Itt az adenozin -trifoszfát (ATP) és a foszfatidil -inozitol közötti reakciót koordinálják. A végeredmény egy foszfatidil-inozitol-3-foszfát, valamint adenozin-difoszfát (ADP) . Az enzimek segíthetnek az ATP -molekula és az inozitcsoport megfelelő orientálásában is, hogy a reakció gyorsabban haladjon. A fémionokat gyakran koordinálják erre a célra.
Szfingozin kinázok
Szfingozin kináz (SK) egy lipid-kináz, amely katalizálja a szfingozin a szfingozin-1-foszfát (S1P). A szfingolipidek mindenütt jelenlévő membrán lipidek. Aktiválás után a szfingozin -kináz a citoszolból a plazmamembránba vándorol, ahol egy γ -foszfátot (amely az utolsó vagy a végső foszfát) továbbítja az ATP -ből vagy a GTP -ből a szfingozinba. Az S1P receptor GPCR receptor, így az S1P képes szabályozni a G fehérje jelátvitelt. A kapott jel aktiválhatja az intracelluláris effektorokat, mint például az ERK -k, Rho GTPáz , Rac GTPáz , PLC és AKT/PI3K. Hatását a sejten belüli célmolekulákra is kifejtheti. Az S1P kimutatta, hogy közvetlenül gátolja a HDAC -k hiszton -deacetiláz -aktivitását . Ezzel szemben a defoszforilált szfingozin elősegíti a sejtek apoptózisát , ezért kritikus fontosságú megérteni az SK -k szabályozását, mivel szerepet játszik a sejtek sorsának meghatározásában. Korábbi kutatások azt mutatják, hogy az SK-k fenntarthatják a rákos sejtek növekedését, mert elősegítik a sejtproliferációt, és az SK1 (egy specifikus SK-típus) magasabb koncentrációban van jelen bizonyos típusú rákos megbetegedésekben.
Az emlőssejtekben két kináz található, az SK1 és az SK2. Az SK1 specifikusabb az SK2 -hez képest, és kifejezési mintáik is eltérnek. Az SK1 a tüdő, a lép és a leukocita sejtekben, míg az SK2 a vese- és májsejtekben expresszálódik. E két kináznak a sejtek túlélésében, proliferációjában, differenciálódásában és gyulladásában való részvétele életképes jelöltévé teszi őket a kemoterápiás terápiáknak .
Szénhidrát kinázok
Sok emlős esetében a szénhidrátok biztosítják a napi kalóriaszükséglet nagy részét . Ahhoz , hogy energiát nyerjünk az oligoszacharidokból , ezeket először monoszacharidokra kell bontani, hogy belépjenek az anyagcserébe . A kinázok fontos szerepet játszanak szinte minden metabolikus útvonalon. A bal oldali ábra a glikolízis második fázisát mutatja , amely két fontos kináz által katalizált reakciót tartalmaz. Az 1,3 -biszfoszfoglicerát anhidrid kötése instabil és nagy energiájú. Az 1,3-biszfoszfoglilcerát-kináz megköveteli, hogy az ADP 3-foszfoglicerátot és ATP-t kapjon. A glikolízis utolsó lépésében a piruvát -kináz foszforilcsoportot szállít át a foszfoenol -piruvátból az ADP -be, ATP -t és piruvátot generálva.
A hexokináz a leggyakoribb enzim, amely glükózt használ, amikor először belép a sejtbe. A D-glükózt glükóz-6-foszfáttá alakítja úgy, hogy az ATP gamma-foszfátját C6-helyzetbe helyezi át. Ez fontos lépés a glikolízisben, mivel a negatív töltés miatt a glükózt a sejt belsejében tartja. Defoszforilált formájában a glükóz nagyon könnyen oda -vissza mozoghat a membránon. A hexokináz gén mutációi hexokináz hiányhoz vezethetnek,ami nem szferocita hemolitikus anémiát okozhat.
A foszfofruktokináz vagy a PFK katalizálja a fruktóz-6-foszfát fruktóz-1,6-biszfoszfáttá alakulását, és fontos pont a glikolízis szabályozásában. A magas ATP, H + és citrát gátolja a PFK -t . Ha a citrát szintje magas, az azt jelenti, hogy a glikolízis optimális sebességgel működik. A magas AMP szintstimulálja a PFK -t. A Tarui -betegség , a glikogéntároló betegség, amely testmozgás intoleranciához vezet, a PFK gén mutációjának köszönhető, amely csökkenti annak aktivitását.
Más kinázok
A kinázok a fehérjék, lipidek és szénhidrátok mellett sok más molekulára is hatnak. Sokan hatnak a nukleotidokra (DNS és RNS), beleértve azokat is, amelyek részt vesznek a nukleotidok kölcsönhatásában, például nukleozid-foszfát-kinázok és nukleozid-difoszfát-kinázok . Egyéb kis molekulákat, amelyek szubsztrátjai kinázok közé tartozik a kreatin , foszfoglicerát , riboflavin , a dihidroxi-aceton , sikimát , és még sokan mások.
Riboflavin kináz
A riboflavin -kináz katalizálja a riboflavin foszforilációját, és flavin -mononukleotidot (FMN) hoz létre . Rendelt kötési mechanizmusa van, ahol a riboflavinnak kötődnie kell a kinázhoz, mielőtt az ATP -molekulához kötődik. A kétértékű kationok segítik a nukleotid koordinációját . Az általános mechanizmus az alábbi ábrán látható.
A riboflavin -kináz fontos szerepet játszik a sejtekben, mivel az FMN fontos kofaktor . Az FMN szintén előfutára a flavin -adenin -dinukleotidnak (FAD), egy redox -kofaktornak, amelyet számos enzim használ, beleértve az anyagcserét is . Sőt, vannak olyan enzimek, amelyek képesek elvégzésére mind a foszforilációja riboflavin, hogy FMN , valamint a FMN a FAD reakciót. A riboflavin -kináz segíthet megelőzni a stroke -ot, és valószínűleg a jövőben is használható kezelésként. Az egereken végzett vizsgálat során a fertőzés is szerepet játszik.
Timidin kináz
A timidin -kináz egyike a sok nukleozid -kináznak, amelyek felelősek a nukleozid -foszforilációért. A timidint foszforilálja, és timidin -monofoszfátot (dTMP) hoz létre . Ez a kináz ATP molekulát használ a foszfát timidinhez való ellátására , amint az alább látható. Ez a foszfátnak az egyik nukleotidból a másikba történő átvitele timidin -kináz, valamint más nukleozid- és nukleotid -kinázok révén segít szabályozni a különböző nukleotidok szintjét.
A dTMP molekula létrehozása után egy másik kináz, a timidilát kináz hathat a dTMP -re, és létrehozza a dTDP difoszfát formát. A nukleozid -difoszfát -kináz katalizálja a DNS -szintézisben használt timidin -trifoszfát , a dTTP termelését . Emiatt a timidin -kináz aktivitása szoros korrelációban van a sejtciklussal, és tumor markerként használják a klinikai kémiában . Ezért néha felhasználható a beteg prognózisának előrejelzésére. A timidin -kináz gén mutációiban szenvedő betegeknél előfordulhat bizonyos típusú mitokondriális DNS -kimerülési szindróma , amely betegség korai gyermekkorban halálhoz vezet.
Lásd még
- Aktiváló hurok
- Autofoszforiláció
- Ca 2+ /kalmodulin-függő protein-kináz
- Sejtjelzés
- Ciklinfüggő kináz
- G fehérjéhez kapcsolt receptor
- Nukleozid-difoszfát-kináz
- Foszfatáz
- Foszfatidil -inozitol -foszfát -kinázok
- Foszfolipid
- Foszfoprotein
- Foszforiláció
- Foszfotranszferáz
- Jelátvitel
- Timidin kináz
- Timidin -kináz a klinikai kémiában
- Timidilát -kináz
- Falhoz kapcsolódó kináz
