PKA和PKC的分子結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制

1、 PKA和PKC的分子結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制王建沅 寧波大學(xué)摘要：蛋白激酶PKA和PKC是G蛋白耦聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)通路中的重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子，參與多種細(xì)胞功能活動(dòng)的調(diào)節(jié)，在細(xì)胞通訊中發(fā)揮著不可替代的作用。本文主要論述了PKA和PKC的分子結(jié)構(gòu)特征以及在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中的作用機(jī)制。關(guān)鍵詞：細(xì)胞通訊；PKA；PKC；分子結(jié)構(gòu)；作用機(jī)制 The Molecular Structure and Mechanism of PKA and PKCAbstract: protein kinase PKA and PKC are important signal transduction factors part

2、icipating in cell signaling pathways mediated by G protein, involve a variety of cellular functional activities and play an irreplaceable role in cell communication.This paper mainly discussed the molecular structure characteristics and the mechanism of PKA and PKC in signal transduction .Key words:

3、 Cell communication; PKA; PKC; Molecular structure; Mechanism of action1 引言 蛋白激酶可以通過(guò)使其他蛋白發(fā)生磷酸化作用而改變它們的活性，生物信號(hào)在細(xì)胞內(nèi)傳遞的基本和主要方式就是蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化的蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化(即“可逆蛋白質(zhì)磷酸化作用”)1。簡(jiǎn)單地說(shuō)，蛋白激酶在細(xì)胞中起到了“開關(guān)”的作用，通過(guò)磷酸化控制某些蛋白質(zhì)的活性，調(diào)控細(xì)胞信號(hào)的傳導(dǎo)和功能活性的發(fā)揮。可逆蛋白質(zhì)磷酸化作用的發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞生物學(xué)發(fā)展史上具有重要的意義，由此美國(guó)西雅圖華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院兩位生物化學(xué)家克雷布斯(E.G.Krebs)和費(fèi)希爾(E.H

4、.Fischer)榮獲了1992年的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)2。 “可逆蛋白質(zhì)磷酸化作用”是細(xì)胞內(nèi)信息代謝的主要?jiǎng)恿头绞?，在?xì)胞代謝、生長(zhǎng)、分化、增殖和癌變的調(diào)控中具有本質(zhì)意義3。其在細(xì)胞中的“開關(guān)”作用使人們想到可以通過(guò)人工手段對(duì)功能蛋白(酶)磷酸化和去磷酸化修飾實(shí)現(xiàn)定向地調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝、生長(zhǎng)、分化、增殖。這一方法在醫(yī)藥、食品和化學(xué)工業(yè)等方面都具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。 蛋白激酶的定義是能催化腺苷三磷酸(ATP)上的-磷酸轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)分子中的絲氨酸(Ser)、蘇氨酸(Thr)殘基羥基、酪氨酸(Tyr)殘基酚羥基,或賴氨酸(Lys)殘基的-氨基、組氨酸(His)殘基之咪唑基和精氨酸(Arg)殘基之胍基上的一類磷

5、酸轉(zhuǎn)移酶。目前發(fā)現(xiàn)真核細(xì)胞蛋白激酶超家族所含蛋白激酶總計(jì)有434種4。蛋白激酶A(PKA)白激酶C（PKC）都是G蛋白耦聯(lián)受體所介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)通路的組成成分。PKA主要參與以cAMP為第二信使的信號(hào)通路，而PKC參與磷脂酰肌醇雙信號(hào)通路。本文主要描述了一下PKA和PKC的分子結(jié)構(gòu)以及參與細(xì)胞功能調(diào)控地作用機(jī)制。2 PKA2.1 PKA的分子結(jié)構(gòu)特征2.1.1蛋白激酶A(PKA)的結(jié)構(gòu) 無(wú)活性的PKA由2個(gè)調(diào)節(jié)蛋白亞基R和2個(gè)催化亞基C組成的四聚體5。R亞基有兩種類型，分別為I類(RI)：RI 49 kD，由RIa和RIb構(gòu)成；II類(RII)：RII 55 kD ，由RIIa 和RIIb構(gòu)成，

6、C亞基40kD，由Ca、Cb、C構(gòu)成，PKA全酶：R2C2 180 kD。 2.1.2 R亞基的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) R亞基有三個(gè)結(jié)構(gòu)域6，N端為二聚化結(jié)構(gòu)域，負(fù)責(zé)與另一個(gè)R基聚合；C端有兩個(gè)cAMP的結(jié)合位點(diǎn)，分別為A、B結(jié)構(gòu)域，cAMP與R亞基結(jié)合是以協(xié)同方式發(fā)生的，A結(jié)構(gòu)域與第一個(gè)cAMP的結(jié)合會(huì)降低B結(jié)構(gòu)域與第二個(gè)cAMP結(jié)合的解離常數(shù)；二聚化結(jié)構(gòu)域和cAMP結(jié)構(gòu)域之間為假底物模體(在RI) 或真底物模體(在RII)，其氨基酸組成分別為RRNAIH(RI)和RRVSVC(RII)，其功能是與C亞基結(jié)合，產(chǎn)生自身抑制作用。2.1.3 C亞基的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) N端有一個(gè)ATP結(jié)合區(qū)6，富含甘氨酸序列：GXG

7、XXGX16K;在Lys72和Glu91形成離子對(duì)，Ala70與腺苷酸的識(shí)別有關(guān)；催化中心位于分子中部，具有結(jié)合多肽底物和催化磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的作用，R165DLK168PEN171氨基酸殘基構(gòu)成一個(gè)環(huán)，其中D166(ASP)是磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)，K168(Lys)具有穩(wěn)定中間態(tài)和降低活化能的作用，Asp184是金屬離子的結(jié)合位點(diǎn)。2.2 PKA的激活機(jī)制 PKA的功能是激發(fā)底物磷酸化，即將ATP上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到特定蛋白質(zhì)的絲氨酸或蘇氨酸殘基上進(jìn)行磷酸化, 被PKA磷酸化了的蛋白質(zhì)可以調(diào)節(jié)靶蛋白的活性。以cAMP為第二信使的信號(hào)通路的主要效應(yīng)是通過(guò)活化PKA使下游靶蛋白磷酸化，從而影響細(xì)胞代謝和

8、細(xì)胞行為，這是細(xì)胞快速應(yīng)答胞外信號(hào)的過(guò)程；另外還有細(xì)胞緩慢應(yīng)答胞外信號(hào)的過(guò)程，其反應(yīng)鏈可表示為：激素G蛋白耦聯(lián)受體G蛋白腺苷酸環(huán)化酶cAMPPKA基因調(diào)控蛋白基因轉(zhuǎn)錄7。 PKA發(fā)揮催化功能的第一步是PKA的活化。在沒有cAMP時(shí)，PKA以鈍化復(fù)合體形式存在。當(dāng)細(xì)胞膜上的G蛋白耦聯(lián)受體與配體結(jié)合后，G蛋白活化，促使腺苷酸環(huán)化酶產(chǎn)生cAMP后，cAMP與調(diào)節(jié)亞基R結(jié)合，改變R構(gòu)象，使調(diào)節(jié)亞基R和催化亞基C解離，釋放出催化亞基，從而使PKA活化。其活化途徑可以用下圖表示： (引自于/wjf/5/course/c522.htm)2.3 PKA的作用機(jī)制 P

9、KA既可直接修飾細(xì)胞質(zhì)中的底物蛋白，使之磷酸化后立即起作用，也可以進(jìn)入細(xì)胞核作用于基因表達(dá)的調(diào)控蛋白(如CREB)，啟動(dòng)基因的表達(dá)8?？杀籔KA活化的一些底物以一下表格列出：肌鈣蛋白磷酸化酶激酶肌糖原合成酶激素敏感性脂酶丙酮酸激酶乙酰膽堿受體 肝酪氨酸羥化酶S6核糖體蛋白磷酸化酶激酶蛋白磷酸酶抑制劑-1磷酸化酶激酶肌球蛋白輕鏈激酶乙酰CoA羧化酶果糖-1，6-二磷酸酶磷酸果糖激酶CREB(cAMP效應(yīng)元件結(jié)合因子磷酸酶-1蛋白雖然PKA在不同類型的細(xì)胞作用于不同底物，但PKA總是磷酸化相同基序X-Arg-（Arg/Lys)-X-(Ser/Thr)-(X代表任意氨基酸，代表疏水氨基酸）中的Ser

10、和Thr殘基7。 （引自于/wjf/5/course/c522.htm）以上是哺乳動(dòng)物細(xì)胞中糖原分解調(diào)控圖，作為第二信使cAMP通過(guò)PKA激活細(xì)胞質(zhì)中的靶酶引起信號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)的例子說(shuō)明PKA的作用機(jī)理：首先，胰高血糖素或腎上腺素同G蛋白耦聯(lián)受體結(jié)合，通過(guò)G蛋白激活腺苷酸環(huán)化酶，激活的腺苷酸環(huán)化酶催化ATP生成cAMP。在細(xì)胞質(zhì)中cAMP同蛋白激酶A的調(diào)節(jié)亞基的別構(gòu)部位結(jié)合，激活PKA。激活的PKA有多種作用底物，包括磷酸化酶激酶和糖原合成酶。糖原合成酶磷酸化后失去活性，阻止葡萄糖合成糖原。磷酸化酶激酶通過(guò)磷酸化激活自身的酶活性，從而催化磷酸化酶的磷酸化(

11、將磷酸基團(tuán)加到磷酸化酶特異的蘇氨酸殘基上)。被激活的磷酸化酶可將糖原磷酸化而分解成1-磷酸葡萄糖,最后生成葡萄糖進(jìn)入血液循環(huán)。此外，PKA進(jìn)入細(xì)胞核，通過(guò)氨基端激酶誘導(dǎo)域(KID) 磷酸化來(lái)活化CREB, 從而調(diào)節(jié)相應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄，從基因水平上抑制糖原的合成。3 PKC3.1 蛋白激酶C（PKC）的分子結(jié)構(gòu) 根據(jù)不同亞單位在結(jié)構(gòu)和功能上的特點(diǎn)，可將PKC分為經(jīng)典PKC(conventional PKC，cPKC)、新型PKC(novel PKC,nPKC)和非經(jīng)典型PKC，aPKC)9。cPKC包括、-、-、亞單位；nPKC包括、亞單位；aPKC包括、亞單位。各亞基在哺乳動(dòng)物體內(nèi)分布的位置不同。

12、PKC分子中有4個(gè)比較保守的區(qū)域，從N端到C端分別命名為C1-C4結(jié)構(gòu)域。C1是DAG的結(jié)合位點(diǎn)，C2是Ca2+的結(jié)合位點(diǎn)，C1和C2構(gòu)成PKC的調(diào)節(jié)區(qū)。C3有一個(gè)ATP結(jié)合基序，提供能量和磷酸基團(tuán)，C4為底物結(jié)合區(qū)，C3和C4構(gòu)成PKC的催化區(qū)。nPKC家族無(wú)經(jīng)典的C2結(jié)構(gòu)域，aPKC僅有C1結(jié)構(gòu)域。本文主要描述的是cPKA的作用機(jī)制。各亞基在哺乳動(dòng)物組織中的分布PKC亞基氨基酸殘基數(shù)分子量（道爾頓）激活分子分布的組織經(jīng)典PKC67276799PS/Ca2+/DG/FFA/LysoPC分布廣泛67176790PS/Ca2+/DG/FFA/LysoPC特定組織67376933PS/Ca2+/D

13、G/FFA/LysoPC大部分組織67978366PS/Ca2+/DG/FFA/LysoPC中樞神經(jīng)系統(tǒng)新型PKC67377517PS/DG分布廣泛73783474PS/DG/FFA腦及其他組織68377972心臟、皮膚、肺70781571主要分布于骨骼肌非經(jīng)典PKC59267740PS/.FFA分布廣泛48567200卵巢、睪丸等 DG:二酰甘油；ps：磷脂酰絲氨酸；FFA：順式不飽和脂肪酸；LysoPC：溶血性磷脂膽堿 (引自于倪同尚等, 蛋白激酶C的分子生物學(xué)特征及研究進(jìn)展)3.2 PKC的激活機(jī)制 所有類型的PKC都有一個(gè)N端假性底物結(jié)構(gòu)域，與激活結(jié)構(gòu)域幾乎一樣，只是它的Ser/Thr

14、被Phe取代，假型底物結(jié)構(gòu)域占據(jù)PKC分子底物結(jié)合部位10。在未收到刺激的細(xì)胞中，PKC以非活性形式分布于細(xì)胞質(zhì)中，當(dāng)細(xì)胞接受外界信號(hào)刺激時(shí)，磷脂酰肌醇-4,5-二肌酸（PIP2）水解生成DAG和IP3，質(zhì)膜上DAG積累。IP3引起細(xì)胞內(nèi)鈣庫(kù)釋放Ca2+，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中PKC轉(zhuǎn)位到質(zhì)膜內(nèi)表面，DAG與PKC的C1結(jié)構(gòu)域結(jié)合，引起PKC變構(gòu)，解除自我抑制變成活化狀態(tài)。PKC的活化過(guò)程可以用下圖表示： (引自于/wjf/5/course/c523.htm)3.3 PKC的作用機(jī)制 激活后的PKC進(jìn)而使不同類型細(xì)胞中不同底物蛋白的Ser和Thr殘基磷酸化

15、。PKC的活化可增強(qiáng)多種基因的轉(zhuǎn)錄。已知至少有兩條途徑7：一是PKC激活一條蛋白激酶的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，使MAP蛋白激酶磷酸化，磷酸化的MAP蛋白激酶將基因調(diào)節(jié)蛋白Elk-1磷酸化，使之激活。激活了Elk-1與一個(gè)短的DNA序列(稱為血清反應(yīng)元件，SRE)結(jié)合，然后與另一個(gè)因子(血清反應(yīng)因子，SRF)共同調(diào)節(jié)基因表達(dá)。另一種途徑是蛋白激酶磷酸化并激活抑制蛋白I-B，釋放基因調(diào)節(jié)蛋白NF-B，使之進(jìn)入細(xì)胞核激活特定基因的轉(zhuǎn)錄。其調(diào)控基因表達(dá)的途徑用下方的圖表示： (引自于/wjf/5/course/c523.htm)4 結(jié)束語(yǔ) PKA和PKC均是通過(guò)使各自的底

16、物磷酸化來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞的代謝、生長(zhǎng)和增殖。高紅娜11將PKA的生理功能歸納為：調(diào)節(jié)糖原的代謝、調(diào)節(jié)基因的表達(dá)、調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的分化成熟、參與創(chuàng)傷后瘢痕的形成和對(duì)其他一些底物蛋白的磷酸化。在這些生理功能中PKA的作用機(jī)制都是相同的即依賴第二信號(hào)分子cAMP改變相應(yīng)蛋白的磷酸化狀態(tài)，促使其活化或失活，調(diào)節(jié)蛋白的活性和基因的表達(dá)。目前，對(duì)于PKA功能的研究主要集中在對(duì)腫瘤的治療方面，例如有學(xué)者發(fā)現(xiàn)PKAR基因的反義缺失可以調(diào)節(jié)除cAMP以外的多條信號(hào)傳導(dǎo)途徑起到腫瘤治療的效果12。還有多種腫瘤（如乳腺癌、卵巢癌等）的發(fā)生與PKA密切相關(guān)，可以通過(guò)對(duì)PKA的檢測(cè)預(yù)測(cè)腫瘤的復(fù)發(fā)率和死亡率13。 PKC作為重要

17、的蛋白激酶，也已經(jīng)有很多學(xué)者研究了一些有PKC參與的細(xì)胞功能。如在腫瘤方面，廣泛的研究表明PKC活性的增加可增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的活性和侵襲力，抑制PKC活性則會(huì)抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)14。因此，醫(yī)學(xué)上將PKC作為抑制腫瘤的靶目標(biāo)。PKC還在IP的心肌保護(hù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用15、參與其增殖哮喘ASMC的增殖活性16、引起血管內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂等多種功能活動(dòng)。從前人的報(bào)道中發(fā)現(xiàn)很多疾病的產(chǎn)生都與PKC的激活有關(guān)，而且PKC具有多種亞類，因此在今后的疾病控制研究中，PKC及其亞類有可能成為研究的焦點(diǎn)。生物信息在胞內(nèi)傳遞的整個(gè)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟是蛋白激酶的激活或抑制。隨著研究的不斷深入，PKA和PKC各個(gè)組成亞基的結(jié)構(gòu)

18、、功能及各亞類的結(jié)構(gòu)、功能逐漸被人們所揭示，它們的作用途徑也越來(lái)越明晰，這是細(xì)胞生物學(xué)的一大進(jìn)步。但細(xì)胞是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)，很多疾病的發(fā)生是多種因素共同作用的結(jié)果，PKA、PKC只是其中的一部分。因此，在與疾病作戰(zhàn)的途中人們還需要付出更多的努力。參考文獻(xiàn)1 Cho Y S. Pmtein kinase and human diease, Trend Endo MetaJ, 2002, 13(2): 50-582 樂志培等. 生物信息胞內(nèi)傳遞分子機(jī)理. 世界圖書出版, 19973 Taylor SS. 依賴于cAMP的蛋白激酶. 國(guó)外醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)分冊(cè)J. 1991, 13(1): 39-404

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