PHK

Verwandte Lektüre

Einleitung

Die Phosphorylase-Kinase (PhK) koordiniert hormonelle und neuronale Signalwege zur Initiierung der Glykogenolyse. PhK katalysiert die Phosphorylierung der inaktiven Glykogenphosphorylase b (GPb), was zur Bildung der aktiven Glykogenphosphorylase a führt.

Struktur

PhK gehört zu den größten und komplexesten Proteinkinasen. Autophosphorylierung oder die Phosphorylierung dieser Untereinheiten durch cAMP-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 Stimulationssignale, indem es an die intrinsische Calmodulin-(δ)-Untereinheit (16,7 kDa, 148 Aminosäuren) bindet und dadurch Muskelkontraktion mit der Energieproduktion koppelt. PhK unterscheidet sich von den meisten anderen calmodulinregulierten Enzymen dadurch, dass die δ‑Calmodulin-Untereinheit im Holoenzym auch in Abwesenheit von Calcium fest assoziiert ist. Sie besteht aus einer Kinase-Strukturdomain (Reste 20–276) und einer regulatorischen, calmodulinbindenden autoinhibitorischen Strukturdomain (Reste 298–396). PhK ist eine von mehreren Kinasen, die keine Phosphorylierung im Kinase-Aktivierungssegment benötigen, um aktiv zu sein.

Funktion

PhK ist ein Schlüsselenzym in der Regulation der Glykogenolyse. Intrazelluläre Glykogenreserven werden primär zur Aufrechterhaltung der Glukosehomöostase während des Fastens sowie als Energiequelle für die Muskelkontraktion genutzt. PhK integriert Signale aus unterschiedlichen Signalwegen – hormonelle Botenstoffe (Epinephrin), neuronale Stimulation (Ca²⁺) und metabolische Signale (z. B. Adenosindiphosphat-[ADP]-Spiegel) – und ermöglicht so eine rasche Mobilisierung der Glykogenreserven. PhK phosphoryliert die inaktive Glykogenphosphorylase b (GPb) an einem einzelnen Serin (Ser14) und wandelt sie in die aktive Phosphorylase a (GPa) um. Aktive Phosphorylasen katalysieren die Phosphorolyse von Glykogen unter Freisetzung von Glukose‑1‑phosphat. Alle eukaryotischen Proteinkinasen teilen einen gemeinsamen katalytischen Kern, der den Transfer des γ‑Phosphats von einem Nukleosidtriphosphat-Donor auf die Hydroxyl-Seitenkette eines Serins, Threonins oder Tyrosins in einem Substratprotein katalysiert; jedoch erkennt jede Kinase nur ein spezifisches Substrat und wird jeweils über unterschiedliche Mechanismen reguliert.

Aktivierung

Die Aktivierung von PhK ist komplex und umfasst mehrere Regulationsebenen. In vitro stellt der pH-Wert einen weiteren Regulator dar. Inaktive PhK, gemessen in Anwesenheit von Calcium, zeigt bei pH 6,8 eine geringe Aktivität. Bei pH 8,2 steigt die Aktivität deutlich an, erfordert jedoch weiterhin die Anwesenheit von Calcium. Die Aktivierung von PhK durch Phosphorylierung oder limitierte Proteinhydrolyse führte zu einer erhöhten Aktivität bei pH 6,8, jedoch nur zu geringen Änderungen der Aktivität bei pH 8,2.

Mechanismus

Die genauen Details des katalytischen Mechanismus von PhK werden weiterhin untersucht. Die Untersuchung der strukturellen und mechanistischen Feinheiten von PhK ist aufgrund der hohen Komplexität mit erheblichen Herausforderungen verbunden. Am aktiven Zentrum besteht eine ausgeprägte Homologie zwischen PhK und anderen sogenannten P‑Loop-Proteinkinasen wie der Proteinkinase A (PKA, cAMP‑abhängige Kinase). Im Gegensatz zu diesen anderen Proteinen, die üblicherweise eine Phosphorylierung von Serin- oder Tyrosinresten im katalytischen Zentrum benötigen, um aktiv zu sein, ist die katalytische γ‑Untereinheit von PhK aufgrund des Vorhandenseins des negativ geladenen Glutamatreste Glu‑182 konstitutiv aktiv. Struktur- und biochemische Daten deuten darauf hin, dass ein möglicher Wirkmechanismus der PhK bei der Phosphorylierung der Glykogenphosphorylase den direkten Transfer von Phosphat von Adenosintriphosphat (ATP) auf das Substratserin umfasst.