Proteinová kináza je enzym, který modifikuje jiné proteiny tím, že k nim chemicky přidává fosfátové skupiny (fosforylace). To obvykle vede k funkční změně cílového proteinu (substrátu) změnou aktivity enzymu, buněčného umístění nebo asociace s jinými proteiny. Až 30% všech proteinů může být modifikováno aktivitou kinázy a o kinázách je známo, že regulují většinu buněčných drah, zejména ty, které se podílejí na přenosu signálu, přenosu signálů uvnitř buňky. Lidský genom obsahuje asi 500 genů proteinkinázy; tvoří asi 2% všech eukaryotických genů.
Chemická aktivita kinázy zahrnuje odstranění fosfátové skupiny z ATP a kovalentní vazbu na jednu ze tří aminokyselin, které mají volnou hydroxylovou skupinu. Většina kináz působí na Serin i Threonin, jiné na Tyrosin a řada (duální specificitní kinázy) působí na všechny tři.
Protože proteinové kinázy mají na buňku hluboký vliv, je jejich aktivita vysoce regulována. Kinázy se zapínají nebo vypínají fosforylací (někdy samotnou kinázou – cis-fosforylací/autofosforylací), vazbou aktivačních nebo inhibitorových proteinů nebo malých molekul nebo kontrolou jejich umístění v buňce vzhledem k jejich substrátům.
Disegulovaná aktivita kináz je častou příčinou onemocnění, zejména rakoviny, kde kinázy regulují mnoho aspektů, které kontrolují růst buněk, pohyb a smrt. Léky, které inhibují specifické kinázy, jsou vyvíjeny k léčbě několika nemocí a některé jsou v současné době klinicky používány, včetně Gleevecu (imatinib) a Iressy (gefitinib).
Serin/threonin-specifické protein kinázy
Serin/threonin protein kinázy (EC 2.7.1.37) fosforylují OH skupinu serinu nebo threoninu (které mají podobné postranní řetězce). Aktivita těchto protein kináz může být regulována specifickými událostmi (např. poškození DNA), stejně jako četnými chemickými signály, včetně:
Zatímco serin/threonin kinázy tvoří všechny zbytky fosforylátu serinu nebo threoninu v jejich substrátech, vybírají specifická rezidua k fosforylátům na základě zbytků, které obklopují místo fosfodielektoru a které dohromady tvoří konsensuální sekvenci. Vzhledem k tomu, že zbytky konsensuální sekvence substrátu, který má být fosforylován, navazují kontakt s katalytickým štěpením kinázy na několika klíčových aminokyselinách (obvykle prostřednictvím hydrofobních sil a iontových vazeb), kináza obvykle není specifická pro jediný substrát, ale místo toho může fosforylovat celou „skupinu substrátů“ se společnými rozpoznávacími sekvencemi. Zatímco katalytická doména těchto kináz je vysoce konzervovaná, variace sekvence, která je pozorována v kinomu (podmnožina genů v genomu, které kódují kinázy), zajišťuje rozpoznání odlišných substrátů. Většina kináz je inhibována pseudosubstrátem, který se váže na kinázu jako skutečný substrát, ale chybí mu aminokyselina, která má být fosforylována. Když je pseudosubstrát odstraněn, kináza může plnit svou normální funkci.
Mnoho protein kináz serin/threonin nemá vlastní individuální EC čísla a používá „2.7.1.37“, což je obecné EC číslo pro každý enzym, který fosforyluje proteiny při konverzi ATP na ADP (tj. ATP:protein phosphotransferázy.) Tato kategorie je v současné době přezkoumávána Nomenclature Committee of IUBMB (NC-IUBMB) a předpokládá se, že různé serin/threonin-kinázy nakonec dostanou vlastní EC čísla.
Pelle je serin/threonin kináza, která dokáže fosforylovat sama sebe a také Tube a Toll.
Fosforylázová kináza (EC 2.7.1.38) byla ve skutečnosti první objevenou Ser/Thr proteinovou kinázou (v roce 1959 Krebsem a spol.).
Protein kináza A (EC 2.7.1.37) se skládá ze dvou domén, malé domény s několika strukturami β listů a větší domény s několika α helicemi. Vazná místa pro substrát a ATP jsou umístěna v katalytické štěrbině mezi doménami (nebo laloky). Když se ATP a substrát navážou, oba laloky se otočí tak, že terminální fosfátová skupina ATP a cílová aminokyselina substrátu se přesunou do správných pozic pro katalytickou reakci.
Protein kináza A má v buňce několik funkcí, včetně regulace glykogenu, cukru a metabolismu lipidů. Je řízena cAMP: při absenci cAMP je kináza tetramerem dvou regulačních a dvou katalytických podjednotek (R2C2), přičemž regulační podjednotky blokují katalytické centrum katalytických podjednotek. Vazba cAMP na regulační podjednotku vede k disociaci aktivních RC dimerů. Také samotná katalytická podjednotka může být regulována fosforylací.
Ke snížení regulace proteinkinázy A dochází mechanismem zpětné vazby: jedním ze substrátů, který je kinázou aktivován, je fosfodiesteráza, která přeměňuje cAMP na AMP, čímž se snižuje množství cAMP, které může aktivovat proteinkinázu A.
Struktura všech PKC se skládá z regulační domény a katalytické domény svázané k sobě kloubovou oblastí. Katalytická oblast je mezi různými izoformami vysoce homologní, stejně jako v menší míře katalytická oblast ostatních serin/threonin kináz. Rozdíly v požadavcích druhého posla v izoformách jsou výsledkem regulační oblasti, které jsou v rámci tříd podobné, ale liší se mezi nimi. Většina krystalové struktury katalytické oblasti PKC nebyla určena, s výjimkou PKC theta a iota. Vzhledem k podobnosti s ostatními kinázami, jejichž krystalová struktura byla určena, lze strukturu silně předpovědět.
Regulační doména neboli amino-teminus PKC obsahuje několik sdílených suboblastí. C1 doména, přítomná ve všech izoformách PKC, má vazebné místo pro DAG i pro nehydrolyzovatelné analogy nazývané estery fosbolu. Tato doména je funkční a schopná vázat DAG jak v konvenčních, tak v nových izoformách, nicméně C1 doména v atypických PKC není schopná vázat se na DAG nebo fosfol estery. C2 doména působí jako Ca2+ senzor a je přítomna jak v konvenčních, tak v nových izoformách, ale funkční jako Ca2+ senzor pouze v konvenčních. Oblast pseudosubstrátu, která je přítomna ve všech třech třídách PKC, je malá sekvence aminokyselin, které napodobují substrát a vážou dutinu vázající substrát v katalytické doméně, čímž udržují enzym neaktivní. Když jsou Ca2+ a DAG přítomny v dostatečné koncentraci, vážou se na C2, respektive C1 doménu a rekrutují PKC na membránu. Tato interakce s membránou vede k uvolnění pseudosubstrátu z katalytického místa a aktivaci enzymu. Aby však došlo k těmto alosterickým interakcím, musí být PKC nejprve správně složena a ve správné konformaci povolena pro katalytické působení. To je podmíněno fosforylací katalytické oblasti, o které je pojednáno níže.
Katalytická oblast nebo kinázové jádro ABC kináz obsahuje přibližně 40% podobnost sekvencí aminokyselin. Tato podobnost se zvyšuje na ~ 70% napříč PKC a ještě vyšší při srovnání v rámci tříd. Například dvě atypické izoformy PKC, ζ a ι/λ, jsou z 84% identické (Selbie a kol., 1993). Z více než 30 struktur proteinkináz, jejichž krystalická struktura byla odhalena, mají všechny stejnou základní organizaci. Jsou to struktura žlučového obalu s β listem, který zahrnuje N-koncový lalok a α šroubovici tvořící C-koncový lalok. V rozštěpu tvořeném těmito dvěma laloky se nacházejí jak vazebná místa ATP- tak substrátů. Zde se také váže pseudosubstrátová doména regulační oblasti.
Dalším rysem PKC katalytické oblasti, který je nezbytný pro životaschopnost kinázy, je její fosforylace. Katalytické a nové PKC mají tři fosforylační místa, nazývaná: aktivační smyčku, motiv otáčky a hydrofobní motiv. Atypické PKC jsou fosforylovány pouze na aktivační smyčce a motivu obratu. Fosforylace hydrofobního motivu je zbytečná přítomností kyseliny glutamové na místě serinu, která jako záporný náboj působí podobně jako fosforylovaný zbytek. Tyto fosforylační jevy jsou nezbytné pro aktivitu enzymu a 3-fosfositid-dependentní protein kináza-1 (PDK1) je kináza zodpovědná za zahájení procesu transposforylací aktivační smyčky.[Jak odkazovat a odkaz na shrnutí nebo text]
Po aktivaci jsou enzymy proteinkinázy C translokovány do plazmatické membrány proteiny RACK (receptor vázaný na membránu pro aktivované proteiny kinázy C). Enzymy proteinkinázy C jsou známé svou dlouhodobou aktivací: zůstávají aktivovány i po původním aktivačním signálu nebo po odeznění vlny Ca2+. Toho je pravděpodobně dosaženo produkcí diacylglycerolu z fosfatidylcholinu fosfolipázou; roli v dlouhodobé aktivaci mohou hrát i mastné kyseliny.
Konsenzym proteinkinázy C je podobný jako u proteinkinázy A, protože obsahuje základní aminokyseliny blízké Ser/Thr, které mají být fosforylovány. Jejich substráty jsou MARCKS proteiny, MAP kináza, inhibitor transkripčního faktoru IκB, receptor vitaminu D3 VDR, Raf kináza, calpain a receptor epidermálního růstového faktoru.
Ca2+/kalmodulin-dependentní proteinkinázy
Také nazývané CaM kinázy (EC 2.7.1.123) jsou tyto kinázy primárně regulovány komplexem Ca2+/calmodulin. Tyto kinázy vykazují paměťový efekt na aktivaci. Dva typy CaM kináz jsou:
Struktura a autoregulace
CaM kinázy se skládají z N-koncové katalytické domény, regulační domény a asociační domény. Při absenci Ca2+/calmodulinu je katalytická doména autoinhibována regulační doménou, která obsahuje pseudosubstrátovou sekvenci. Několik CaM kináz se agreguje do homooligomeru nebo heterooligomeru. Po aktivaci Ca2+/calmodulinem se aktivované CaM kinázy autofosforylují v mezimolekulární reakci. To má dva účinky:
Mitogenem aktivované protein kinázy (MAPK) (EC 2.7.1.37) reagují na extracelulární podněty (mitogeny) a regulují různé buněčné aktivity, jako je genová exprese, mitóza, diferenciace a buněčné přežití/apoptóza. Extracelulární podněty vedou k aktivaci MAPK prostřednictvím signalizační kaskády složené z MAPK, MAPK kinázy (MAPKK) a MAPKK kinázy (MAPKKK). MAPKK, který je aktivován extracelulárními podněty fosforyluje MAPKK na jeho serinové a threoninové zbytky a pak tento MAPKK aktivuje MAPK prostřednictvím fosforylace na jeho serinové a tyrosinové zbytky. Tato MAPK signalizační kaskáda byla evolučně dobře konzervována od kvasinek po savce.
Dosud byly u savců charakterizovány čtyři odlišné skupiny MAPK: (1) extracelulární signálně regulované kinázy (ERKs), (2) c-Jun N-terminální kinázy (JNKs), (3) izoformy p38 a (4) ERK5. Signální dráha ERKs (známá také jako klasické MAPKs) je přednostně aktivována v reakci na růstové faktory a fosfolester (promotor nádoru) a reguluje proliferaci a diferenciaci buněk. Signální dráhy JNKs (známé také jako stresem aktivované proteinové kinázy; SAPKs) a p38 reagují na stresové stimuly, jako jsou cytokiny, ultrafialové ozařování, tepelný šok a osmotický šok, a podílejí se na buněčné diferenciaci a apoptóze. A ERK5, který byl nalezen nedávno, je aktivován jak růstovými faktory, tak stresovými stimuly a podílí se na proliferaci buněk.
Mos/Raf kinázy jsou součástí rodiny MAPKK kináz a jsou aktivovány růstovými faktory. Enzym stimuluje růst buněk. Inhibice Rafu se stala cílem nových antimetastazujících protinádorových léků, protože inhibují kaskádu MAPK a snižují proliferaci buněk.
Tyrosin-specifické proteinkinázy
Hlavní článek: Tyrosinkináza
Tyto kinázy se skládají z transmembránového receptoru s tyrosinkinázovou doménou vyčnívající do cytoplazmy. Hrají důležitou roli při regulaci dělení buněk, buněčné diferenciaci a morfogenezi. U savců je známo více než 50 tyrosinkináz receptorů.
Extracelulární doména slouží jako ligandový receptor. Může to být samostatná jednotka, která je se zbytkem receptoru spojena disulfidovou vazbou. Stejným mechanismem lze navázat dva receptory dohromady a vytvořit homo- nebo heterodimer. Transmembránový prvek je jedna α šroubovice. Za (vysoce konzervovanou) kinázovou aktivitu je zodpovědná intracelulární nebo cytoplazmatická doména a také několik regulačních funkcí.
Vazba ligandu vyvolává dvě reakce:
Autofosforylace způsobí posun obou subdomén vnitřní kinázy a otevírá kinázovou doménu pro vazbu ATP. V neaktivní formě jsou kinázové subdomény zarovnány tak, že ATP nemůže dosáhnout katalytického centra kinázy. Když je v kinázové doméně přítomno několik aminokyselin vhodných pro fosforylaci (např. receptor růstového faktoru podobný inzulinu), může aktivita kinázy vzrůst s počtem fosforylovaných aminokyselin; v tomto případě je první fosforylací cis-autofosforylace, která přepne kinázu z „vypnuto“ do „pohotovostního režimu“.
Aktivní tyrosinkináza fosforyluje specifické cílové proteiny, což jsou často samy enzymy. Důležitým cílem je ras protein signální transdukční řetězec.
Histidinově specifické proteinkinázy
Histidinové kinázy jsou strukturálně odlišné od většiny ostatních proteinových kináz a nacházejí se většinou v prokaryotech jako součást dvousložkových signálních transdukčních mechanismů. Fosfátová skupina z ATP je nejprve přidána do histidinového rezidua uvnitř kinázy a později přenesena do aspartátového rezidua na „přijímací doméně“ na jiném proteinu nebo někdy na samotné kináze. Zbytky aspartylfosfátu jsou pak aktivní v signalizaci.
Histidinové kinázy se hojně vyskytují v prokaryotách, stejně jako v rostlinách a houbách. Rodina kináz pyruvátdehydrogenáz u zvířat je strukturně příbuzná histidinovým kinázám, ale místo toho fosforyláty serinové zbytky, a pravděpodobně nepoužívají fosfo-histidinový meziprodukt.