PHK

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Einführungen

Phosphorylase-Kinase (PhK) koordiniert hormonelle und neuronale Signale, um die Glykogenolyse einzuleiten. PhK katalysiert die Phosphorylierung von inaktiver Glykogen-Phosphorylase b (GPb), was zur Bildung von aktiver Glykogen-Phosphorylase a führt.

Struktur

PhK ist eine der größten und komplexesten Protein-Kinasen. Die Autophosphorylierung oder die Phosphorylierung dieser Untereinheiten durch zyklisch Adenosinmonophosphat-abhängige Kinasen als Reaktion auf hormonelle Stimulation führt zur Aktivierung der Kinase. ADP bindet mit hoher Affinität an die β-Untereinheit und stimuliert die Aktivität. Ca²⁺ beeinflusst neuronale Stimulationsionen, die an die intrinsische Calmodulin (δ)-Untereinheit (16,7 kDa, 148 Aminosäuren) binden und somit die Muskelkontraktion mit der Energieproduktion verbinden. PhK unterscheidet sich von den meisten anderen calmodulin-regulierten Enzymen dadurch, dass die δ-Calmodulin-Untereinheit in Abwesenheit von Calcium eng mit dem Holoenzym assoziiert ist. Es besteht aus einem strukturellen Kinase-Domäne (Reste 20-276) und einer regulatorischen Calmodulin-bindenden autoinhibitorischen strukturellen Domäne (Reste 298-396). PhK ist eine von mehreren Kinasen, die keine Phosphorylierung im Kinase-Aktivierungsfragment benötigen, um aktiv zu sein.

Funktion

PhK ist ein Schlüsselenzym in der Kontrolle der Glykogenolyse. Intrazelluläre Glykogenreserven werden hauptsächlich verwendet, um die Glukosehomöostase während des Fastens aufrechtzuerhalten und als Energiequelle für Muskelkontraktionen. PhK integriert Signale aus verschiedenen Signalwegen - hormonelle Botenstoffe (Epinephrin), neuronale Stimulation (Ca²⁺) und metabolische Signale (z. B. Adenosindiphosphat [ADP]-Spiegel) - um eine schnelle Mobilisierung der Glykogenreserven zu erzeugen. PhK phosphoryliert inaktive Glykogen-Phosphorylase b (GPb) an einem einzelnen Serin Ser14 und wandelt es in aktive Phosphorylase a (GPa) um. Aktive Phosphorylase katalysieren die Phosphorylierung von Glykogen, um Glukose-1-phosphat freizusetzen. Alle eukaryotischen Protein-Kinasen teilen einen gemeinsamen katalytischen Kern, der den Transfer von γ-Phosphat von einem Nucleosidtriphosphat-Donor zur Hydroxylgruppe der Seitenkette eines Serins, Threonins oder Tyrosins in einem Substratprotein katalysiert, aber jede Kinase erkennt nur ein spezifisches Substrat und jede wird durch einen anderen Mechanismus reguliert.

Aktivierung

Die Aktivierung von PhK ist komplex und hat mehrere verschiedene Kontrollschichten. In vitro ist der pH-Wert ein weiterer Regulator. Inaktive PhK, die in Anwesenheit von Calcium gemessen wird, zeigt bei pH 6,8 eine niedrige Aktivität. Die Aktivität steigt signifikant bei pH 8,2, erfordert jedoch weiterhin die Anwesenheit von Calcium. Die Aktivierung von PhK durch Phosphorylierung oder begrenzte Protein-Hydrolyse führte zu einer erhöhten Aktivität bei pH 6,8, jedoch zu wenig Veränderung der Aktivität bei pH 8,2.

Mechanismus

Die genauen Details des katalytischen Mechanismus von PhK werden noch untersucht. Es gibt große Schwierigkeiten, die feineren Details der Struktur und des Mechanismus von PhK mit einem hohen Komplexitätsgrad zu studieren. An der aktiven Stelle gibt es eine signifikante Homologie zwischen PhK und anderen sogenannten P-loop-Protein-Kinasen wie der Protein-Kinase A (PKA, cAMP-abhängige Kinase). Im Gegensatz zu diesen anderen Proteinen, die normalerweise eine Phosphorylierung von Serin- oder Tyrosin-Resten an der katalytischen Stelle benötigen, ist die katalytische γ-Untereinheit von PhK konstitutiv aktiv aufgrund der Anwesenheit des negativ geladenen Glutamat-Restes Glu-182. Struktur- und biochemische Daten deuten darauf hin, dass ein möglicher Wirkmechanismus von PhK-phosphorylierter Glykogen-Phosphorylase den direkten Transfer von Phosphat von Adenosintriphosphat (ATP) auf das Substrat-Serin umfasst.