蛋白激酶A

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蛋白激酶 A (protein kinase A,PKA)又称依赖于cAMP的蛋白激酶A (cyclic-AMP dependent protein kinase A),是一种结构最简单、生化特性最清楚的蛋白激酶。
PKA全酶分子是由四个亚基组成的四聚体, 其中两个是调节亚基(regulatory subunit, 简称R 亚基),另两个是催化亚基(catalytic subunit, 简称 C 亚基)。R亚基的相对分子质量为49~55kDa, C亚基的相对分子质量为40kDa,总相对分子质量约为180kDa;全酶没有活性。在大多数哺乳类细胞中, 至少有两类蛋白激酶A, 一类存在于胞质溶胶, 另一类结合在质膜、核膜和微管上。

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蛋白激酶A介绍

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激酶是激发底物磷酸化的酶,所以蛋白激酶A的功能是将ATP上的磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化, 被蛋白激酶磷酸化了的蛋白质可以调节靶蛋白的活性。
一般认为, 真核细胞内几乎所有的cAMP的作用都是通过活化PKA,从而使其底物蛋白发生磷酸化而实现的。
蛋白激酶A(Protein Kinase A,PKA):由两个催化亚基和两个调节亚基组成(图8-15),在没有cAMP时,以钝化复合体形式存在。cAMP与调节亚基结合,改变调节亚基构象,使调节亚基和催化亚基解离,释放出催化亚基。活化的蛋白激酶A催化亚基可使细胞内某些蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化,于是改变这些蛋白的活性,进一步影响到相关基因的表达。
蛋白激酶A在细胞中具有多种功能,包括调节糖原、糖和脂质的代谢。

蛋白激酶A背景

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1968年,化学家H. Fischer和Edwin G. Krebs发现了蛋白激酶A,更确切地说是腺苷3’, 5’-单磷酸(环AMP)依赖性蛋白激酶。他们因在磷酸化和去磷酸化以及它与蛋白激酶A活性的关系方面的工作而获得了1992年的诺贝尔生理学或医学奖。
PKA是研究得最广泛的蛋白激酶之一,部分原因在于它的独特性;在组成人类激酶组(kinome)的540个不同的蛋白激酶基因中,只有一个其他的蛋白激酶,酪蛋白激酶2,已知在生理条件下以四聚体形式的存在。
哺乳动物PKA亚基的多样性是在Stan Knight博士和其他人鉴定出可能的四个C亚基基因和四个R亚基基因之后被意识到的。1991年,Susan Taylor等人结晶了PKA Cα亚基,首次揭示了蛋白激酶核心的双叶结构,为基因组中所有其它蛋白激酶(“激酶组”)提供了蓝图。

蛋白激酶A结构

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PKA全酶以四聚体形式存在,但PKA被靶向到特定组分时,也会在细胞中形成更高阶的结构。经典的PKA全酶结构由两个调节亚基(R亚基)和两个催化亚基(C亚基)组成。催化亚基包含活性位点、在结合和水解ATP的蛋白激酶中发现的一系列典型残基以及结合调节亚基的结构域。调节亚基具有结合到cAMP的结构域,该结构域与催化亚基和自身抑制结构域相互作用。调节亚基有两种主要形式:RI和RII。
下列人类基因编码PKA的亚基:
催化亚基——PRKACA、PRKACB、PRKACG
Ⅰ型调节亚基PRRK1A、PRKAR1B
Ⅱ型调节亚基PRKAR2A、PRKAR2B

蛋白激酶A机制

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蛋白激酶A激活

PKA通常也被称为cAMP依赖性蛋白激酶,因为传统上认为当第二信使cAMP水平响应于各种信号而升高时,PKA通过释放催化亚基而被激活。然而,最近的研究评估了完整的全酶复合物,包括被调节性AKAP结合的信号复合物,已经表明PKA催化活性的局部亚细胞活化可能在没有调节和催化组分的物理分离的情况下进行,尤其是在生理浓度的cAMP下。相比之下,实验诱导的超过生理浓度的cAMP能够导致全酶的分离和催化亚基的释放。
细胞外激素,如胰高血糖素和肾上腺素,能够引起细胞内的信号级联,通过首先与靶细胞上的G蛋白偶联受体(GPCR)结合触发蛋白激酶A激活。当GPCR被其胞外配体激活时,会引起受体的构象改变,该构象改变通过蛋白域动力学传递到附连的细胞内异源三聚体G蛋白复合物。受刺激的G蛋白复合物的Gsα亚单位释放GDP,结合GTP,并从复合物中释放。活化的Gsα亚基结合并激活腺苷酸环化酶,该酶又催化ATP转化为环磷酸腺苷(cAMP),直接提高cAMP水平。四个cAMP分子能够与两个R亚基结合。这是通过两个cAMP分子与两个cAMP结合位点(CNB-B和CNB-A)中的每一个结合,引起PKA调节亚基的构象改变,导致亚基分离并释放两个(已经激活的)催化亚基。
一旦从其抑制性调节亚基释放,催化亚基就能够继续磷酸化大量其他带有Arg-Arg-X-Ser/Thr序列的蛋白质。尽管它们仍然受到其他层面的调控,包括由PKA的热稳定假底物抑制剂PKI的调节。
下面是PKA激活所涉及的步骤的列表:
1,胞浆cAMP增加
2,两个cAMP分子与每个PKA调节亚基结合
3,调节亚基移出催化亚基的活性中心,R2C2复合物解离
4,游离催化亚基与蛋白质相互作用生成磷酸化Ser或Thr残基

蛋白激酶A催化作用

PKA激活后,释放的催化亚基可以催化ATP末端磷酸基团转移到蛋白底物的丝氨酸或苏氨酸残基上。这种磷酸化通常导致底物活性的变化。由于PKA存在于多种细胞中,作用于不同的底物,PKA调节和cAMP调节涉及许多不同的通路。
进一步作用的机制可分为直接蛋白质磷酸化和蛋白质合成:
在蛋白质直接磷酸化过程中,PKA直接增加或降低蛋白质的活性。
在蛋白质合成中,PKA首先直接激活CREB,CREB结合cAMP反应元件,从而改变转录,改变蛋白质的合成。一般来说,这种机制需要更长的时间(几小时到几天)。

蛋白激酶A失活

蛋白激酶A的下调通过反馈机制发生,并涉及多种水解cAMP的磷酸二酯酶(PDE),它们属于PKA激活的底物。磷酸二酯酶快速转化cAMP为AMP,从而减少可激活蛋白激酶A的cAMP的量。PKA也受一系列复杂的磷酸化事件调节,其可包括自身磷酸化修饰和被调节激酶如PDK1的磷酸化。〔此外,催化亚基本身也可以被磷酸化来下调。

蛋白激酶A定位

PKA的调节亚基二聚体对其细胞内定位是重要的。二聚体的二聚和对接(dimerization and docking, D/D)结构域与A激酶锚蛋白(AKAP)的A-激酶结合(A-kinase binding, AKB)结构域结合。AKAP将PKA定位于细胞内的不同位置(例如,质膜、线粒体等)。
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非生物 医学术语