Fosforilase quinase - Phosphorylase kinase

Fosforilase quinase
PhK 1QL6 gamma small.png
Subunidade catalítica (gama) de fosforilase quinase
Identificadores
EC nº 2.7.11.19
CAS no. 9001-88-1
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Estruturas PDB RCSB PDB PDBe PDBsum

A fosforilase quinase (PhK) é uma proteína quinase específica de serina / treonina que ativa a glicogênio fosforilase para liberar glicose-1-fosfato do glicogênio . PhK fosforila glicogênio fosforilase em dois resíduos de serina, desencadeando uma mudança conformacional que favorece a forma mais ativa de glicogênio fosforilase “a” em relação à menos ativa glicogênio fosforilase b.

A proteína é uma holoenzima hexadecamérica - ou seja, um homotetrâmero em que cada subunidade é um tetrâmero - organizada em uma forma aproximada de "borboleta". Cada uma das subunidades é composta por uma subunidade α, β, γ e δ. A subunidade γ é o local da atividade catalítica da enzima, enquanto as outras três subunidades desempenham funções regulatórias.

Quando não modificadas, as subunidades α e β inibem a catálise da enzima, mas a fosforilação de ambas as subunidades pela proteína quinase A (PKA ou proteína quinase dependente de cAMP ) reduz suas respectivas atividades inibitórias. A subunidade δ é a ubíqua proteína eucariótica calmodulina que possui 4 locais de ligação ao íon cálcio. Quando os níveis de Ca 2+ citosólico aumentam para tão baixo quanto 10 -7 M, a subunidade δ sofre uma grande mudança conformacional que ativa a atividade da quinase ligando-se a um patch hidrofóbico complementar na subunidade γ catalítica.

Genes

História

A fosforilase quinase foi a primeira proteína quinase a ser isolada e caracterizada em detalhes, realizada pela primeira vez por Krebs, Graves e Fischer na década de 1950. Na época, a comunidade científica desconhecia em grande parte a importância da fosforilação de proteínas na regulação dos processos celulares, e muitos na área rejeitaram as fosfoproteínas como biologicamente sem importância. Uma vez que a modificação covalente por fosforilação é um método importante e difundido de regulação bioquímica em uma ampla variedade de processos celulares, a descoberta dessa reação teve um enorme impacto na compreensão científica dos mecanismos reguladores.

O substrato da PhK, a glicogênio fosforilase, havia sido isolado por Carl e Gerty Cori na década de 1930, que determinou que existiam duas formas: uma forma inativa b e uma forma ativa a. No entanto, por razões desconhecidas na época, a única maneira de isolar a glicogênio fosforilase a do tecido muscular era por filtração em papel - outros métodos, como a centrifugação, não funcionariam. Foi um insight crítico da parte de Fischer et al. que era a presença de íons de cálcio no papel de filtro que estava gerando a isoforma “a” ativa. Pesquisas posteriores revelaram que os íons de cálcio estavam de fato ativando a fosforilase quinase por meio da subunidade reguladora δ, levando à fosforilação da glicogênio fosforilase.

Mecanismo

Os detalhes precisos do mecanismo catalítico do PhK ainda estão em estudo. Embora isso possa parecer surpreendente, dado que foi isolado há mais de 50 anos, existem dificuldades significativas em estudar os detalhes mais sutis da estrutura e do mecanismo de PhK devido ao seu grande tamanho e alto grau de complexidade. No sítio ativo, há homologia significativa entre PhK e outras chamadas proteínas quinases de alça P, como a proteína quinase A (PKA, quinase dependente de AMPc). Em contraste com essas outras proteínas, que normalmente requerem fosforilação de um resíduo de serina ou tirosina no sítio catalítico para serem ativas, a subunidade γ catalítica de PhK é constitutivamente ativa devido à presença de um resíduo de glutamato carregado negativamente, Glu-182.

Dados estruturais e bioquímicos sugerem que um possível mecanismo de ação para a fosforilação do glicogênio fosforilase por PhK envolve a transferência direta de fosfato de adenosina trifosfato (ATP) para o substrato serina .

Estrutura

A fosforilase quinase é uma holoenzima hexadecamérica 1,3 MDa, embora seu tamanho possa variar um pouco devido à substituição de diferentes isoformas de subunidades por meio de processamento de mRNA. É composto por quatro homotetrâmeros, cada um composto por quatro subunidades (α, β, δ, γ). Apenas a subunidade γ é conhecida por possuir atividade catalítica, enquanto as outras desempenham funções regulatórias. Devido à instabilidade das subunidades regulatórias em solução, apenas a subunidade γ foi cristalizada individualmente:

No geral, as subunidades são organizadas em dois lóbulos orientados costas com costas no que foi descrito como uma forma de "borboleta" com simetria D2. Cada lóbulo consiste em dois tetrâmeros, cada um consistindo nas subunidades αβδγ conforme descrito anteriormente. A subunidade δ é indistinguível da calmodulina celular , enquanto as subunidades α e β são homólogas próximas uma da outra, que se propõe terem surgido por duplicação gênica e subsequente diferenciação.

Função biológica e regulação

Visão geral da regulação da fosforilase quinase.

Fisiologicamente, a fosforilase quinase desempenha o importante papel de estimular a degradação do glicogênio em glicose-1-fosfato livre pela fosforilação da glicogênio fosforilase e estabilização de sua conformação ativa. Essa atividade é particularmente importante no fígado e nas células musculares, embora com propósitos um tanto diferentes. Enquanto as células musculares geralmente quebram o glicogênio para alimentar sua atividade imediata, as células do fígado são responsáveis ​​por manter a concentração de glicose na corrente sanguínea. Assim, os mecanismos reguladores da atividade PhK variam um pouco dependendo do tipo de célula.

Em geral, a enzima é regulada alostericamente e por fosforilação reversível. Hormônios, impulsos nervosos e contração muscular estimulam a liberação de íons de cálcio. Estes atuam como um ativador alostérico , ligando-se às subunidades δ da fosforilase quinase e ativando parcialmente a atividade enzimática. Esta ligação estabiliza parcialmente a proteína na forma ativa. A fosforilase quinase é completamente ativada quando as subunidades β e α são fosforiladas pela proteína quinase A e a subunidade delta se liga aos íons de cálcio.

Em células musculares, a fosforilação das subunidades α e β por PKA é o resultado de uma cascata de sinalização celular mediada por cAMP iniciada pela ligação de epinefrina a receptores β-adrenérgicos na superfície celular. Além disso, a liberação de íons de cálcio do retículo sarcoplasmático durante a contração muscular inativa a subunidade δ inibitória e ativa a PhK completamente.

Nas células do fígado, o processo é um pouco mais complexo. Tanto o glucagon quanto a epinefrina podem desencadear a cascata cAMP-PKA, enquanto a epinefrina também se liga ao receptor α-adrenérgico para desencadear uma cascata de fosfoinositídeo, resultando na liberação de Ca 2+ do retículo endoplasmático .

Quando a célula precisa interromper a quebra do glicogênio, a PhK é desfosforilada pelas proteínas fosfatases 1 e 2, retornando as subunidades α e β à sua configuração inibitória inicial.

Relação com a doença

Defeitos nos genes da fosforilase quinase são a causa da doença de armazenamento de glicogênio tipo IX (GSD tipo IX) e GSD tipo VI (anteriormente GSD tipo VIII ), que podem afetar o fígado e / ou músculos. Entre esses defeitos genéticos, alguns dos mais comuns são as doenças da glicogenose hepática ligada ao X (XLG), que podem ser subdivididas em XLG I e XLG II. Clinicamente, essas doenças se manifestam no desenvolvimento lento do corpo na infância e no aumento anormal do fígado. No XLG I, a atividade da PhK é anormalmente reduzida nas células do sangue e nas células do fígado, enquanto que no XLG II a atividade da enzima é diminuída apenas nas células do fígado. Essas doenças são devidas a mutações no gene PHKA2, que codifica a subunidade α da fosforilase quinase. No caso de XLG I, as mutações são frequentemente mutações sem sentido que resultam em subunidades α malformadas e instáveis, enquanto as mutações em XLG II tendem a ser alterações missense que alteram as subunidades menos severamente. Com base em dados bioinformáticos e estruturais, alguns sugeriram que as subunidades α e β podem ter atividade catalítica semelhante às glicoamilases, e que mutações missense nessas regiões da subunidade α podem contribuir para os sintomas de XLG II. No entanto, esta atividade catalítica proposta ainda não foi comprovada diretamente.

Veja também

Referências

links externos