4.10: プロテインキナーゼとホスファターゼ

Protein Kinases and Phosphatases
JoVE Core
Molecular Biology
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Molecular Biology
Protein Kinases and Phosphatases
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

13,077 Views

02:54 min
November 23, 2020

Overview

タンパク質は化学修飾を受け、タンパク質の電荷、構造、およびコンフォメーションの変化を引き起こします。リン酸化、アセチル化、グリコシル化、ニトロシル化、ユビキチン化、脂質化、メチル化、およびタンパク質分解は、タンパク質活性を調節するさまざまなタンパク質修飾です。このような修飾は通常、酵素によって駆動されます。

プロテインキナーゼ

細胞内の多くのタンパク質は、リン酸基の付加であるリン酸化によって調節されています。キナーゼと呼ばれる酵素ファミリーは、タンパク質基質にリン酸基を付加します。キナーゼは、ATP(またはGTP)の末端リン酸基をその基質に移すことにより、標的をリン酸化します。プロテインキナーゼは、290アミノ酸の触媒ドメインを共有する広範な酵素ファミリーに属しています。タンパク質内では、リン酸化がいくつかの異なるアミノ酸で発生する可能性があります。プロテインキナーゼは、その標的基質に基づいて、ヒスチジンキナーゼ、セリン-スレオニンキナーゼ、およびチロシンキナーゼに分類できます。

ホスファターゼ

ホスファターゼは、リン酸モノエステルをリン酸イオンに加水分解することにより基質からリン酸基を除去し、遊離ヒドロキシル基を残すことにより、キナーゼ活性を逆転させます。タンパク質ホスファターゼは、構造的および機能的に多様であり、触媒メカニズム、阻害剤感度、および基質の好みに応じて4つの主要なグループに分類されます。これらのカテゴリーには、リン酸化タンパク質ホスファターゼ(PPP)、ホスホチロシンホスファターゼ(PTP)、Mg2+/Mn2+依存性タンパク質ホスファターゼ(PPM)、およびアスパラギン酸ベースのタンパク質ホスファターゼが含まれます。

プロテインキナーゼとホスファターゼの活性と役割

プロテインキナーゼとホスファターゼは分子スイッチとして機能します。これらの酵素の中には、細胞内で最適なATP:ADP比を感知することにより、細胞の恒常性を維持するのに役立つものもあります。ATPの減少:ADPは、エネルギー状態の低下を反映し、プロテインキナーゼ活性を引き起こします。プロテインキナーゼは、タンパク質のリン酸化を触媒し、ATP産生経路を刺激します。逆に、タンパク質ホスファターゼは高いATP:ADPレベルを感知し、標的タンパク質の脱リン酸化を触媒します。これらの酵素は一緒になって、細胞内の重要な経路とプロセスを調節し、多くの場合、外部刺激に応答します。

Transcript

リン酸化と脱リン酸化は、酵素がタンパク質基質上のアミノ酸残基からリン酸基を追加または削除する化学修飾です。これらの化学変化は、コンフォメーションや活性の変化を通じて標的タンパク質の機能を調節することができます。

プロテインキナーゼは、タンパク質や他の基質をリン酸化する酵素です。キナーゼは、ATPからのリン酸のセリン、スレオニン、またはチロシン残基のヒドロキシル側鎖への可逆的付加を触媒します。

真核生物のプロテインキナーゼは、保存された構造と触媒配列を持つ広範な酵素ファミリーに属しています。

キナーゼがリン酸基を基質に移動すると、周囲のアミノ酸残基と水素結合ネットワークを形成します。この水素結合のネットワークは、標的タンパク質の三次元構造を変化させ、その機能を変更します。

このような機能の変化には、基質の酵素活性の活性化または不活性化、または他の分子が基質と相互作用できる新しい表面の作成が含まれます。

ホスファターゼは、水分子を使用してリン酸イオンとしてのリン酸基を除去し、アミノ酸残基に遊離ヒドロキシル基を残して、リン酸塩の加水分解を触媒します。これにより、水素結合が破壊され、元のコンフォメーションと機能が回復します。

リン酸化は、特異なキナーゼ触媒配列、基質との局所的および遠位結合、異なるキナーゼ-基質相互作用を媒介するアダプタータンパク質など、いくつかの要素によって決定される基質特異的なプロセスです。
 

一部のホスファターゼは、高い基質特異性も持っています。それらは、1つまたは少数の選択されたタンパク質からのみリン酸塩を除去します。他のホスファターゼは、いくつかの異なるタンパク質基質に作用することができ、基質の調節サブユニットによって特定の標的に向けられます。

プロテインキナーゼとホスファターゼは連携して、タンパク質をリン酸化状態と脱リン酸化状態の間で切り替えます。これらの変化は、さまざまなシグナル伝達経路や代謝経路で重要な役割を果たします。

血中でグルコースが上昇すると、インスリンはタンパク質ホスファターゼ-1の活性を高めます。この酵素は標的基質を脱リン酸化し、グルコースをグリコーゲンとして貯蔵する生物につながります。

血糖値が下がると、プロテインキナーゼAが活性化されます。プロテインキナーゼAによる標的タンパク質のリン酸化はグリコーゲンの分解を刺激し、グルコースを血流に放出します。

Key Terms and definitions​

Learning Objectives

Questions that this video will help you answer

This video is also useful for