4.10:

4.10: Proteinkinasen und Phosphatasen

Protein Kinases and Phosphatases

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Molecular Biology

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JoVE Core Molecular Biology

Protein Kinases and Phosphatases

4.9: Phosphorylation

4.11: GTPases and their Regulation

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02:54 min

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November 23, 2020

Overview

Proteins undergo chemical modifications that trigger changes in the charge, structure, and conformation of the proteins. Phosphorylation, acetylation, glycosylation, nitrosylation, ubiquitination, lipidation, methylation, and proteolysis are various protein modifications that regulate protein activity. Such modifications are usually enzyme-driven.

Protein kinases

Many proteins in the cell are regulated by phosphorylation, the addition of a phosphate group. A family of enzymes called kinases adds phosphate groups to a protein substrate. Kinases phosphorylate their targets by transferring the terminal phosphate group of ATP (or GTP) to its substrate. Protein kinases belong to an extensive family of enzymes that share a catalytic domain of 290 amino acids. Within a protein, phosphorylation can occur on several different amino acids. Based on their target substrates, protein kinases can be classified as histidine kinases, serine-threonine kinases, and tyrosine kinases.

Phosphatases

Phosphatases reverse kinase activity by removing phosphate groups from their substrates through hydrolysis of phosphoric acid monoesters into a phosphate ion, leaving behind a free hydroxyl group. Protein phosphatases are structurally and functionally diverse and classified into four major groups depending on their catalytic mechanism, inhibitor sensitivity, and substrate preference. These categories include phosphoprotein phosphatases (PPP), phosphotyrosine phosphatases (PTP), Mg²⁺/Mn²⁺-dependent protein phosphatases (PPM), and aspartate-based protein phosphatases.

Activity and role of protein kinases and phosphatases

Protein kinases and phosphatases act as molecular switches. Some of these enzymes help maintain cellular homeostasis by sensing an optimum ATP:ADP ratio within cells. A reduced ATP:ADP reflects compromised energy status, triggering protein kinase activity. Protein kinases catalyze the phosphorylation of proteins, stimulating ATP-producing pathways. Conversely, protein phosphatases sense high ATP:ADP levels and catalyze the dephosphorylation of target proteins. Together these enzymes modulate critical pathways and processes in the cell, often in response to external stimuli.

Transcript

Phosphorylierung und Dephosphorylierung sind chemische Modifikationen, bei denen Enzyme eine Phosphatgruppe zu einem Aminosäurerest auf einem Proteinsubstrat hinzufügen oder daraus entfernen. Diese chemischen Veränderungen können die Funktion des Zielproteins durch Veränderungen in der Konformation oder Aktivität regulieren.

Proteinkinasen sind Enzyme, die Proteine und andere Substrate phosphorylieren. Kinasen katalysieren die reversible Addition eines Phosphats aus ATP an die Hydroxylseitenketten von Serin-, Threonin- oder Tyrosinresten.

Eukaryotische Proteinkinasen gehören zu einer umfangreichen Familie von Enzymen mit konservierten Strukturen und katalytischen Sequenzen.

Wenn Kinasen eine Phosphatgruppe auf das Substrat übertragen, bildet sie ein wasserstoffgebundenes Netzwerk mit den umgebenden Aminosäureresten. Dieses Netzwerk von Wasserstoffbrücken verändert die dreidimensionale Struktur des Zielproteins und verändert dessen Funktion.

Solche Funktionsänderungen können das Aktivieren oder Deaktivieren der enzymatischen Aktivität des Substrats oder das Erstellen einer neuen Oberfläche beinhalten, auf der andere Moleküle mit dem Substrat interagieren können.

Phosphatasen katalysieren die Hydrolyse des Phosphats, indem sie ein Wassermolekül verwenden, um eine Phosphatgruppe als Phosphation zu entfernen und eine freie Hydroxylgruppe auf dem Aminosäurerest zu hinterlassen. Dadurch wird die Wasserstoffbrückenbindung gestört und die ursprüngliche Konformation und Funktion wiederhergestellt.

Phosphorylierung ist ein substratspezifischer Prozess, der durch mehrere Elemente bestimmt wird, einschließlich der einzigartigen katalytischen Kinasesequenz, der lokalen und distalen Bindung an das Substrat und der Adapterproteine, die unterschiedliche Kinase-Substrat-Wechselwirkungen vermitteln.

Einige Phosphatasen haben auch eine hohe Substratspezifität – sie entfernen Phosphat nur von einem oder wenigen ausgewählten Proteinen. Andere Phosphatasen können auf mehrere verschiedene Proteinsubstrate wirken und werden durch die regulatorischen Untereinheiten des Substrats auf ein bestimmtes Ziel gerichtet.

Proteinkinasen und Phosphatasen arbeiten zusammen, um ein Protein zwischen dem phosphorylierten und dem dephosphorylierten Zustand umzuschalten. Diese Veränderungen spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen Signal- und Stoffwechselwegen.

Wenn Glukose im Blut erhöht ist, führt Insulin zu einer erhöhten Proteinphosphatase-1-Aktivität. Das Enzym dephosphoryliert Zielsubstrate, was dazu führt, dass ein Organismus Glukose als Glykogen speichert.

Wenn der Blutzuckerspiegel sinkt, wird die Proteinkinase A aktiviert. Die Phosphorylierung der Zielproteine durch die Proteinkinase A stimuliert den Glykogenabbau und setzt Glukose in den Blutkreislauf frei.

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