KINAZY: CHARAKTERYSTYKA, RODZAJE, FUNKCJE - BIOLOGIA - 2025

Kinazy lub kinazy są białkami o aktywności enzymatycznej, które są odpowiedzialne za katalizując przeniesienie grup fosforanowych (PO4-3) do różnych rodzajów cząsteczek. W naturze są niezwykle powszechnymi enzymami, gdzie pełnią transcendentalne funkcje dla organizmów żywych: uczestniczą w metabolizmie, sygnalizowaniu, a także w komunikacji komórkowej.

Dzięki dużej liczbie procesów, w których pełnią wielorakie funkcje, kinazy są jednym z najlepiej poznanych typów białek, nie tylko na poziomie biochemicznym, ale także strukturalnym, genetycznym i komórkowym.

Domeny budowy enzymu kinazy pirogronianowej (PYK), enzymu glikolitycznego (źródło: Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com) przez Wikimedia Commons)

Stwierdzono, że genom człowieka ma co najmniej 500 genów kodujących enzymy należące do grupy kinaz, których „akceptorowymi” substratami dla grup fosforanowych mogą być węglowodany, lipidy, nukleozydy, białka i inne rodzaje cząsteczek organicznych.

Enzymy te zaliczane są do grupy fosfotransferaz (EC 2.7) i zwykle używają jako „donorowe” cząsteczek grup fosforanowych do wysokoenergetycznych związków, takich jak ATP, GTP, CTP i innych pokrewnych.

cechy

Termin „kinaza”, jak już wspomniano, zwykle odnosi się do wszystkich enzymów, które są odpowiedzialne za przeniesienie końcowej grupy fosforanowej ATP do innego receptora lub cząsteczki „akceptora” grupy fosforanowej.

Pomimo faktu, że enzymy te katalizują zasadniczo tę samą reakcję przeniesienia grup fosforylowych, istnieje między nimi duża różnorodność, nie tylko pod względem struktury, ale także specyfiki substratów i szlaków komórkowych, w których uczestniczą.

Na ogół jego struktura składa się z β-pofałdowanych arkuszy i α-helis, które fałdują się specyficznie, tworząc miejsce aktywne, a wspomniane miejsce aktywne zwykle zawiera dodatnio naładowane jony (kationy), które stabilizują ujemne ładunki przenoszonych przez nie grup fosforanowych.

W miejscu aktywnym lub w jego pobliżu znajdują się dwa miejsca wiązania substratów: jedno dla ATP lub cząsteczki będącej donorem grup fosforanowych i jedno dla substratu, który ma być fosforylowany.

Ogólną reakcję tych enzymów (fosforylację) można zobaczyć w następujący sposób:

ATP + podłoże → ADP + podłoże fosforylowane

Gdzie ATP przekazuje grupę fosforanową, którą zyskuje substrat.

Rodzaje

Zgodnie z klasyfikacją Komitetu Nomenklatury Międzynarodowej Unii Biochemii i Biologii Molekularnej (NC-IUBMB) kinazy znajdują się w podzielonej grupie fosfotransferaz (EC.2.7, enzymy przenoszące grupy zawierające fosfor), z kolei w około 14 klasach (EC 2.7.1 - EC 2.7.14).

Podstawowe różnice między tymi 14 klasami fosfotransferaz dotyczą chemicznej natury cząsteczki „akceptora” grupy fosforanowej, którą przenoszą (lub natury części cząsteczki, która otrzymuje grupę fosforanową).

W tej kategorii (enzymy fosfotransferazy) znajdują się również enzymy, które przenoszą grupy fosforanowe, ale nie wykorzystują cząsteczek ATP jako „donora”, ale zamiast tego wykorzystują nieorganiczne fosforany.

Ogólnie te klasy są opisane w następujący sposób:

EC 2.7.1: Enzymy fosfotransferazy z alkoholem jako akceptorem grupy fosforanowej

Jest to jedna z najważniejszych grup dla metabolizmu energetycznego wielu organizmów, ponieważ zawiera enzymy odpowiedzialne za fosforylację węglowodanów i ich pochodnych, takie jak glukoza, galaktoza, fruktoza, mannoza, glukozamina, ryboza i rybuloza, ksyloza, glicerol, pirogronian, mewalonian, arabinoza, inozytol i wiele innych.

Przykładami tych powszechnych enzymów są heksokinaza, glukokinaza, fosfofruktokinaza i kinaza pirogronianowa, które są bezpośrednio zaangażowane w szlak glikolityczny odpowiedzialny za utlenianie glukozy w celu produkcji energii w postaci ATP.

EC 2.7.2: enzymy fosfotransferazy mające grupę karboksylową jako akceptor grupy fosforanowej

W ramach tej klasy enzymów kinaz lub fosfotransferaz znajdują się enzymy przenoszące grupy fosforanowe na części cząsteczek z grupami karboksylowymi, takie jak między innymi octan, karbaminian, asparaginian, fosfoglicerynian.

EC 2.7.3:

Z punktu widzenia metabolizmu ta grupa enzymów ma również duże znaczenie, ponieważ są one odpowiedzialne za przenoszenie grup fosforanowych do cząsteczek takich jak kreatynina, arginina, glutamina, octan guanidyny itp.

EC 2.7.4: enzymy fosfotransferazy, które mają inną grupę fosforanową jako akceptor grupy fosforanowej

Duża część enzymów z tej grupy pełni funkcję w regulacji tworzenia lub hydrolizy związków wysokoenergetycznych, takich jak ATP, GTP, CTP i inne, ponieważ odpowiadają one za dodawanie, usuwanie lub wymianę grup fosforanowych między tego typu cząsteczkami. lub jego prekursory.

Uczestniczą także w przenoszeniu grup fosforanowych do innych wcześniej fosforylowanych cząsteczek, które mogą mieć naturę lipidów, węglowodanów lub ich pochodnych.

Przykładami tych ważnych enzymów są kinaza adenylanowa, kinaza nukleozydowo-fosforanowa, kinaza nukleozydowo-trifosforanoadenylanowa, kinaza UMP / CMP i kinaza fosforanu farnezylu itp.

EC 2.7.6: enzymy difosfotransferazy

Difosfotransferazy katalizują przeniesienie dwóch grup fosforanowych jednocześnie na ten sam substrat. Przykładami tych enzymów są difosfokinaza rybozy fosforanowa, difosfokinaza tiaminy i difosfokinaza GTP, która jest ważnym enzymem w metabolizmie puryn.

EC 2.7.7: enzymy fosfotransferazy specyficzne dla nukleotydów (fosfotransferazy nukleotydów)

Fosfotransferazy nukleotydylowe uczestniczą w wielu procesach komórkowych związanych z aktywacją i inaktywacją innych białek i enzymów, a także w niektórych mechanizmach naprawy DNA.

Jego funkcją jest przenoszenie nukleotydów, ogólnie nukleotydów monofosforanowych o różnych zasadach azotowych. Do tej klasy enzymów należą między innymi polimerazy DNA i RNA (zależne od DNA i RNA), urydylotransferaza UDP-glukozo-1-fosforanu.

EC 2.7.8: enzymy przenoszące grupy fosforanowe z substytucjami

Ta klasa ma istotne funkcje w szlakach metabolizmu lipidów, zwłaszcza w ich syntezie. Odpowiadają za przenoszenie fosforylowanych cząsteczek (grup fosforanowych z podstawnikami) na inne cząsteczki „akceptorowe”.

Przykładami tej grupy enzymów są fosfotransferaza etanoloaminy, fosfotransferaza diacyloglicerolocholiny, syntaza sfingomieliny itp.

EC 2.7.9: enzymy fosfotransferazy ze sparowanymi receptorami

Enzymy te wykorzystują pojedynczy donor grup fosforanowych (ATP lub pokrewny) do fosforylacji dwóch różnych cząsteczek akceptorowych. Przykładami takich enzymów są dikinaza pirogronianowo-fosforanowa (PPDK) i fosfoglikanowa dikinaza wodna.

Fosfotransferazy, które fosforylują reszty aminokwasowe różnych typów białek

EC 2.7.10: białkowe kinazy tyrozynowe

Kinazy białkowo-tyrozynowe to enzymy, które katalizują przenoszenie grup fosforanowych specyficznie do reszt tyrozyny w łańcuchach polipeptydowych różnych typów akceptorów białek.

EC 2.7.11: kinazy białkowo-serynowo / treoninowe

Podobnie jak białkowe kinazy tyrozynowe, ta grupa enzymów katalizuje przeniesienie grup fosforanowych do reszt seryny lub treoniny w innych białkach.

Znanym przykładem tych białek jest rodzina kinaz białkowych C, które uczestniczą w wielu szlakach, ale szczególnie w metabolizmie lipidów.

Do tej grupy zalicza się również wiele cyklicznych AMP i cyklicznych zależnych od GMP kinaz białkowych, które mają ważne implikacje dla różnicowania, wzrostu i komunikacji komórek.

EC 2.7.12: kinazy są podwójnie specyficzne (mogą działać zarówno na reszty seryny / treoniny, jak i tyrozyny)

Kinazy białkowe aktywowane mitogenami (MAPKK) należą do tej grupy enzymów, które są zdolne do niewyraźnej fosforylacji reszt seryny, treoniny lub tyrozyny innych kinaz białkowych.

Kinazy białkowo-histydynowe (EC 2.7.13) i kinazy białkowo-argininowe (EC 2.7.14)

Istnieją inne kinazy białkowe zdolne do przenoszenia grup fosforanowych do reszt histydyny i argininy w niektórych typach białek i są to kinazy białkowo-histydynowe i kinazy białkowo-argininowe.

Inne formy klasyfikacji

Według różnych autorów kinazy można lepiej sklasyfikować ze względu na rodzaj substratu, którego używają jako akceptora grup fosforanowych.

Inni uważają, że najlepszym sposobem klasyfikacji tych enzymów jest struktura i charakterystyka ich miejsca aktywnego, to znaczy konformacja i obecność w nim jonów lub określonych cząsteczek.

W zależności od rodzaju substratu, kinazy można sklasyfikować jako kinazy białkowe (które fosforylują inne białka), kinazy lipidowe (które fosforylują lipidy), kinazy węglowodanowe (które fosforylują różne rodzaje węglowodanów), fosforylazy nukleozydowe (które fosforylują nukleozydy) itp.

cechy

Enzymy z grupy kinaz są z natury wszechobecne, a pojedyncza komórka może zawierać setki różnych typów, katalizując reakcje na wielu szlakach komórkowych.

Jego funkcje mogą być bardzo zróżnicowane:

- Biorą udział w wielu procesach sygnalizacji i komunikacji komórkowej, zwłaszcza kinaz białkowych, które katalizują kolejną fosforylację innych kinaz białkowych (kaskady fosforylacji) w odpowiedzi na bodźce wewnętrzne i zewnętrzne.

-Niektóre z tych białek o aktywności enzymatycznej pełnią centralne funkcje w metabolizmie węglowodanów, lipidów, nukleotydów, witamin, kofaktorów i aminokwasów. Na przykład nic innego w glikolizie nie obejmuje co najmniej 4 kinaz: heksokinazy, fosfofruktokinazy, kinazy fosfoglicerynianowej i kinazy pirogronianowej.

- Wśród funkcji sygnalizacyjnych, kinazy biorą udział w procesach regulacji ekspresji genów, skurczu mięśni i oporności na antybiotyki u różnych typów organizmów żywych.

-Kinazy białkowo-tyrozynowe pełnią funkcje w regulacji wielu szlaków przekazywania sygnałów, które są związane z rozwojem i komunikacją w wielokomórkowych metazoans.

- Modyfikacja białek przez fosforylację (w innych kontekstach komórkowych innych niż sygnalizacja komórkowa) jest ważnym elementem regulacji aktywności dużej liczby enzymów uczestniczących w różnych procesach metabolicznych. Taki jest przykład regulacji cyklu komórkowego przez wiele zależnych od kinaz cyklin białek.

-Kinazy zdolne do fosforylacji lipidów są niezbędne w procesach przebudowy błon komórkowych, a także w syntezie i tworzeniu nowych błon.

Bibliografia

1. Cheek, S., Zhang, H. i Grishin, NV (2002). Klasyfikacja sekwencji i struktury kinaz. Journal of Molecular Biology, 2836 (02), 855–881.
2. Cooper, J. (2018). Encyclopaedia Britannica. Pobrane z britannica.com
3. Da Silva, G. (2012). Postępy w kinazach białkowych. Rijeka, Chorwacja: InTech Open.
4. Krebs, E. (1983). Historyczne perspektywy fosforylacji białek i system klasyfikacji kinaz białkowych. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B, 302, 3-11.
5. Krebs, E. (1985). Fosforylacja białek: główny mechanizm regulacji biologicznej. Biochemical Society Transactions, 13, 813–820.
6. Komitet ds. Nomenklatury Międzynarodowej Unii Biochemii i Biologii Molekularnej (NC-IUBMB). (2019). Odzyskany z qmul.ac.uk