WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 |
БИОЛОГ ИЯ БИОЛОГ ИЯ ПРОТЕИНКИНАЗЫ: СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, СВОЙСТВА И БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ Н. Б. ГУСЕВ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова ВВЕДЕНИЕ PROTEIN KINASES: STRUCTURE, Жизнедеятельность клетки невозможна без скоординированного функционирования многочисленных и разCLASSIFICATION, PROPERTIES нообразных биологических катализаторов – ферментов.

AND BIOLOGICAL ROLE Большая группа ферментов, объединенная под названием “протеинкиназы”, катализирует перенос концевого N. B. GUSEV остатка фосфата с АТФ на различные группы в структуре белка. Протеинкиназы разделены на пять больших The structure and properties of protein kinases классов в зависимости от того, на какие группы в phosphorylating serine, threonine and tyrosine структуре белка переносится остаток фосфата. Протеresidues are analyzed. The modern classificaинкиназы первого класса переносят фосфат на спирtion based on the homology of the primary товые группы серина и треонина. Протеинкиназы второго класса переносят фосфат на спиртовые группу structure in the catalytic domain is presented.

тирозина. Протеинкиназы третьего класса образуют Examples of the involvement of protein kinases фосфоамидные связи, перенося остаток фосфата на in the transmition and the amplification of a атомы азота гистидина, лизина или аргинина. Протеhormonal signal are discussed.

инкиназы четвертого класса фосфорилируют остатки цистеина в структуре белка. Наконец, протеинкиназы пятого класса способны фосфорилировать остатки асОписаны строение и некоторые свойства парагиновой и глутаминовой кислот. Мы проанализипротеинкиназ, обеспечивающих фосфорилируем структуру и свойства только двух первых классов рование остатков серина, треонина и типротеинкиназ. Это связано с тем, что протеинкиназы, розина в структуре белка. Представлена фосфорилирующие спиртовые группы серина, треонисовременная классификация протеинкиназ, на и тирозина, наиболее подробно исследованы и имеют много общего в структуре и свойствах. Протеинкиоснованная на сходстве первичных струкназы, фосфорилирующие другие остатки в структуре тур их каталитических доменов. Приведебелка (например, ферменты, фосфорилирующие остатны примеры участия протеинкиназ в переки гистидина и аспарагиновой кислоты), играют важдаче и усилении гормонального сигнала.

ную роль в хемотаксисе и осморегуляции у бактерий, грибов и в регуляторных системах растений. Однако эти ферменты кардинальным образом отличаются по структуре и свойствам от протеинкиназ, фосфорилирующих спиртовые остатки серина, треонина и тирозина.

В ходе реакции, катализируемой протеинкиназами двух первых классов, нейтральная спиртовая группа белка превращается в сложный эфир, несущий большой отрицательный заряд. Введение отрицательного www.issep.rssi.ru заряда в ранее нейтральную область может приводить к значительным изменениям в структуре белка, а значит, СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №12, Гусев Н.Б., © БИОЛОГ ИЯ и к изменению его свойств. Как это ни удивительно, но дирует различные протеинкиназы. Таким образом, перенос только одного небольшого по молекулярной протеинкиназы образуют многочисленное семейство массе остатка фосфорной кислоты (–РО3Н2) может со- внутриклеточных белков. Какие же свойства характерпровождаться крупными структурными перестройками ны для столь обширного семейства белков и есть ли в молекуле белка-мишени, молекулярная масса которо- что-то общее в структуре этих ферментов го может превышать десятки тысяч. Именно поэтому Протеинкиназы относятся к группе сложно устропростая химическая модификация молекулы белка, енных ферментов. Действительно, по своей природе происходящая под действием протеинкиназ, является протеинкиназы вынуждены оперировать как минимум эффективным и широко распространенным способом с двумя субстратами. Протеинкиназы должны иметь регуляции активности многих ферментов и других внуспециальный центр связывания АТФ или других нуктриклеточных белков (табл. 1). Остаток фосфорной леозидтрифосфатов, которые используются в качестве кислоты, перенесенный протеинкиназой на спиртодоноров остатков фосфата, а также специальный центр вую группу белка, может быть удален под действием связывания белка-субстрата, на который осуществляетдругого фермента – фосфатазы. Таким образом, протеся перенос фосфатной группы (рис. 1). Для того чтобы инкиназы и фосфатазы образуют две группы ферменосуществить перенос фосфата с АТФ на белок, нужен тов-антагонистов, способных осуществлять обратимую специальный активный центр, содержащий определенковалентную модификацию белков-мишеней и тем саные аминокислотные остатки, которые непосредстмым регулировать их активность. Мы рассмотрим венно участвуют в переносе фосфата от АТР на белок.

классификацию, строение и свойства серин-треониноЯсно, что два субстратсвязывающих участка (участок вых и тирозиновых протеинкиназ.

связывания АТФ и участок связывания белка-субстрата) должны располагаться поблизости и быть соответОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ствующим образом ориентированы относительно друг СТРУКТУРЫ ПРОТЕИНКИНАЗ друга. Только в этом случае становится возможным эфВ настоящее время в литературе описано около 200 пред- фективный перенос остатка фосфата. Субстратсвязыставителей этого класса протеинкиназ. Предполага- вающие участки должны обладать достаточно высокой ется, что в геноме млекопитающих содержится около специфичностью. Это означает, что протеинкиназы 1000 генов, кодирующих различные протеинкиназы. должны узнавать только свои субстраты, то есть связыЭто означает, что около 1% генов млекопитающих ко- вать и фосфорилировать вполне определенные белки.



Таблица 1. Некоторые белки и ферменты, активность которых регулируется путем фосфорилирования и дефосфорилирования остатков серина, треонина и тирозина Некоторые примеры Группы белков и ферментов, регулируемые путем фосфорилирования фосфорилируемых белков Ферменты, участвующие в синтезе и распаде углеводов Фосфорилаза Гликогенсинтаза Фосфофруктокиназа-Ферменты, участвующие в синтезе и распаде жиров и холестерина Гормончувствительная липаза Гидроксиметилглутарил-СоА-редуктаза Гидроксиметилглутарил-СоА-редуктаза Киназа фосфоинозитидов Белки, участвующие в метаболизме аминокислот Орнитиндекарбоксилаза Белки и ферменты, участвующие в синтезе, распаде и репарации нуклеиновых кислот РНК-полимеразы Топоизомеразы Гистоны Белки и ферменты, участвующие в синтезе белка Белки рибосом Факторы трансляции Мембранные белки и ферменты Рецепторы Транспортные АТФазы Ионные каналы Белки цитоскелета, структурные и сократительные белки Белки промежуточных филаментов Актин Тубулин Миозин Тропонин Внеклеточные белки Казеин ГУСЕВ Н.Б. ПРОТЕИНКИНАЗЫ: СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, СВОЙСТВА И БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ БИОЛОГ ИЯ сфорилирование (так называемое самофосфорилирование) и тем самым регулировать собственную активность.

Центр связывания Регуляторный В иных случаях другие, часто высоко специализиросубстрата центр ванные протеинкиназы осуществляют фосфорилирование и регуляцию активности данной протеинкиназы. В литературе описаны примеры, когда активность Центр протеинкиназы регулируется всеми тремя описанныЦентр взаимодействия катализа ми выше способами.

с белкомрегулятором ТРЕХМЕРНАЯ СТРУКТУРА ПРОТЕИНКИНАЗ В настоящее время описана кристаллическая структура Центр Центр фосфолиринескольких протеинкиназ, способных осуществлять связывания рования фосфорилирование как остатков серина и треонина НТФ (Ser/Thr-протеинкиназы), так и остатков тирозина (Tyr-киназы). Несмотря на то что эти ферменты имеют Рис. 1. Общая схема строения протеинкиназ.

разную субстратную специфичность, регулируются разВ левой части рисунка в виде полукруга, треугольниличными низкомолекулярными соединениями и взаика и прямоугольника изображены соответственно модействуют с разными регуляторными белками, трехцентры связывания белка-субстрата, АТФ (или другого нуклеозидтрифосфата, НТФ) и активный центр мерная структура их каталитического участка имеет фермента. В правой части схематически изображемного общих черт.

ны регуляторные центры, обеспечивающие взаимоКаталитический домен (то есть участок молекулы действие протеинкиназы с низкомолекулярными веществами, белками-регуляторами, и специальные белка, обеспечивающий собственно перенос фосфата с регуляторные участки, подвергающиеся фосфориАТФ на белок) большинства протеинкиназ состоит лированию как бы из двух долей, соединенных гибким шарниром (рис. 2). Верхняя N-концевая доля содержит в своем Итак, все протеинкиназы должны иметь в своем состасоставе пять антипараллельных -структурных участве два субстратсвязывающих участка и каталитический ков (характерных элементов укладки полипептидной центр, обеспечивающий собственно процесс фосфорицепи белка, подробно описанных в [1]). Эти элементы лирования.

изображены в виде пронумерованных красных стрелок Кроме этого исполнительного механизма протеин- на рис. 2, а. Помимо этого в состав N-концевой доли киназы должны иметь в своей структуре специальные входит от одной до трех относительно коротких -спирегуляторные элементы. Если бы протеинкиназа не- ралей (характерная укладка полипептидной цепи, напрерывно и бесконтрольно катализировала фосфори- поминающая скрученную пружину [1], изображенная в лирование белков-субстратов, то в клетке наступил бы виде спиралей красного цвета на рис. 2, а). Эта N-конхаос. Произошло бы разбалансирование многочислен- цевая часть молекулы белка отвечает за связывание АТФ ных реакций, протекающих в клетке. Практически все (или другого нуклеозидтрифосфата) и его правильную протеинкиназы имеют разнообразные, зачастую слож- ориентацию относительно каталитического и белоксвяно устроенные регуляторные центры. Некоторые про- зывающего центров. Нижняя С-концевая бльшая по теинкиназы имеют специальные регуляторные центры, своим размерам часть каталитического домена содеркоторые связывают низкомолекулярные клеточные ме- жит пять относительно длинных -спиральных участтаболиты (например, АМФ) или определенные сигналь- ков (D, E, F, G и H на рис. 2, а), которые формируют ные молекулы (такие, как циклическая ГМФ, ионы своеобразный фундамент для всего каталитического кальция или специальные фосфолипиды, см. рис. 1). домена. Две доли каталитического домена соединены Другие протеинкиназы имеют специальные центры для шарниром, который сформирован из трех коротких связывания регуляторных белков. Эти белки способны -структурных участков (стрелки 6, 7 и 8 на рис. 2, а), прикреплять протеинкиназы к определенным структу- соединенных гибкими петлями и иногда короткими рам внутри клетки или выступать в качестве специаль- -спиралями. В петле между -структурными участками ных сенсоров, способных связывать низкомолекуляр- 6 и 7 располагается собственно каталитический участок.

ные сигнальные молекулы и регулировать активность Короткий -структурный участок (стрелка 9 на рис. 2, а) протеинкиназ. Наконец, в структуре большинства про- и участок полипептидной цепи, соединяющий восьтеинкиназ есть специальные участки, которые могут мой -структурный участок (стрелка 8 на рис. 2, а, б) со фосфорилироваться (рис. 1). В некоторых случаях про- спиралью F, участвуют в связывании белкового субсттеинкиназа может катализировать свое собственное фо- рата. Кроме того, в некоторых случаях в этом участке СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 6, №12, БИОЛОГ ИЯ Рис. 2. Строение каталитического домена некотоа рых Ser/Thr-протеинкиназ:





а – ленточная модель структуры каталитического домена сАМР-зависимой протеинкиназы; -структурные участки изображены в виде стрелок и помеB чены цифрами, -спиральные участки изображены в C виде спиралей и обозначены заглавными буквами латинского алфавита. Элементы структуры, участвующие в связывании АТФ, обозначены красным цветом, элементы структуры, обеспечивающие связывание белкового субстрата, – синим цветом, шарнирные участки – зеленым цветом (по: Wek R.C. eIF2kinases: Regulators of General and Gene-specific Translation Initiation // Trends Biochem. Sci. 1994. Vol. 11.

P. 491–496 с упрощениями);

б – двумерное изображение основных элементов F структуры каталитического домена циклинзависимой протеинкиназы 2. Стрелками с цифрами обоD значены участки -структуры, цилиндрами с заглавными буквами латинского алфавита – -спиральные E G участки. Буквами в центре рисунка схематически обозначено положение соответственно каталитической петли (К), участка связывания АТФ (Р), участка связывания белка-субстрата (Т) и ионов магния (М) H (по: DeBondt H.L., Rosenblatt J., Jancarik J. et al. Crystal Structure of Cyclin-dependent Kinase 2 // Nature.

1993. Vol. 363. P. 595–602 с модификациями) б Ser/Thr-протеинкиназ (рис. 2, б). На рисунке четко видN ны две части каталитического домена: содержащая преимущественно -структурные участки N-концевая часть 1 2 3 5 (отмечена красным цветом) и содержащая преимущественно -спирали С-концевая часть (отмечена синим цветом). Катализ становится возможным только в том P C 7 случае, если участки связывания АТФ (Р на рис. 2, б), каK T талитический центр (К на рис. 2, б), центр связывания М ионов магния (М на рис. 2, б) и центр связывания белка-субстрата (Т на рис. 2, б) будут правильным образом ориентированы относительно друг друга. Таким образом, регулируя подвижность шарнира, соединяющего C две доли каталитического домена, или влияя на ориенD G H тацию каталитического и белоксвязывающего участE F ков, можно регулировать активность протеинкиназ.

Например, фосфорилирование остатков треонина и тирозина, расположенных в петле, соединяющей восьмой -структурный участок и спираль F (рис. 2, б), фиксирует правильную ориентацию двух долей каталитическополипептидной цепи располагаются остатки, которые го домена протеинкиназы, регулируемой специальнымогут подвергаться фосфорилированию. Таким обрами белками циклинами, а также МАР-киназы (Mitogen зом, в трехмерной структуре каталитического домена Activated Protein kinase, то есть протеинкиназы, активибольшинства протеинкиназ есть как бы две доли, соруемой факторами, управляющими процессами клеединенные гибким шарниром. Верхняя доля обеспечиточного деления, митогенами). Поэтому фосфорилировает связывание АТФ, а нижняя – связывание белковование этих протеинкиназ сопровождается значительго субстрата. Катализ осуществляется при участии аминым увеличением их ферментативной активности.

нокислотных остатков, расположенных в шарнирном участке.

В рассмотренных примерах проанализировано строеПодробный анализ трехмерной структуры белка ние каталитического домена двух Ser/Thr-протеинкидостаточно сложен, поэтому обратимся к упрощенно- наз. Активность этих ферментов (цАМФ-зависимой му двухмерному изображению каталитического домена протеинкиназы и циклинзависимой протеинкиназы) ГУСЕВ Н.Б. ПРОТЕИНКИНАЗЫ: СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, СВОЙСТВА И БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ БИОЛОГ ИЯ а регулируется путем фосфорилирования определенных участков, расположенных вблизи активного центра, и путем взаимодействия со специфическими белкамирегуляторами (специальной ингибиторной регуляторной субъединицей в случае цАМФ-зависимой протеинкиназы и специальных активаторов – циклинов в случае циклинзависимой протеинкиназы). Рассмотрим строение одного из представителей так называемых Tyr-протеинкиназ, то есть ферментов, способных фосфорилировать остатки тирозина в структуре белка субстрата.

Одна из Tyr-киназ получила название “src-киназа”.

б N-концевая доля киназного домена Такое название связано с тем, что саркому Рауса (отсюSHда src) птиц могут вызывать определенные вирусы, в геноме которых есть ген, кодирующий эту протеинкиназу. Как видно из рис. 3, в структуре src-киназы можно выделить две части. В левой части (желтая и зеленая Район Активный PP II на рис. 3) располагаются специальные регуляторные центр элементы, а в правой части (светло- и темно-синяя на SHрис. 3) размещается каталитический домен. Строение этого каталитического домена удивительно похоже на строение каталитического домена Ser / Thr-протеинкиназ. Действительно, верхний (светло-голубой) субдомен, содержащий преимущественно -структурные участки, участвует в связывании АТФ, а в нижнем (темно-синем) субдомене располагается центр связывания С-концевая доля киназного домена белка-субстрата. Активный центр находится в щели, Карман для С-концевой фосфотирозина разделяющей светло- и темно-синие субдомены. Вбли- регуляторный хвост зи активного центра располагается гибкая петля (изображена в виде пунктира), которая может участвовать в Рис. 3. Ленточная модель структуры части полипептидной цепи src-киназы:

регуляции активности фермента.

Pages:     || 2 | 3 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.