【7.2.1】蛋白质激酶A系统(The PKA System)

以肾上腺素为例,其靶细胞不止一种,其受体也不止一种。肝细胞的质膜上有肾上腺素的β受体。β受体是一个典型的7次跨膜受体。β受体与肾上腺素结合以后,构象即发生变化,充当GEF,刺激细胞质中的GTP取代原来与Gsα亚基结合的GDP,Gs蛋白因此被激活。Gsα-GTP在与β和γ亚基解离以后,可独立激活位于细胞膜内侧的效应器即AC的活性。激活的AC以ATP为底物,催化cAMP的合成。cAMP作为肾上腺素的第二信使,再代替肾上腺素去激活信号通路的下一个成分。

蛋白质激酶A(protein kinase A,PKA)是一种受cAMP直接激活的蛋白质激酶,它催化ATP分子上的γ磷酸根转移到蛋白质的Ser或Thr残基的羟基上。磷酸化的Ser/Thr通常位于RRXS/TX序列(X为疏水氨基酸残基)模体中。

PKA由两个调节亚基(R亚基)和两个催化亚基(C亚基)组成,但以这种全酶形式存在的PKA并无催化活性,原因是R亚基上含有一个假底物序列(pseudosubstrate sequence)——RRXAX,假底物序列假在里面没有真底物序列有的Ser/Thr残基(换成了Ala残基)。这种缺乏磷酸化羟基的假底物序列与C亚基的活性中心结合,等于是封闭了活性中心,使其不能结合真正的底物。然而,R亚基可结合cAMP,一个R亚基可结合两个cAMP分子。一旦R亚基结合了cAMP,即与C亚基解离,C亚基上的活性中心就得以充分暴露,PKA即被激活。具体的反应式是:R2C2(非活性)+4cAMP→(R·cAMP2)2+2C(活性)。每一个C亚基都可催化靶蛋白底物序列上的Ser或Thr残基发生磷酸化修饰。

PKA的底物有许多种,但肝细胞中的主要底物是糖原磷酸化酶b激酶。该酶的组成是α4β4γ4δ4,其中δ亚基为钙调蛋白(Calmodulin,CaM),能够结合钙离子,γ亚基为催化亚基,α和β亚基为调节亚基,能被磷酸化修饰。一旦受到PKA的催化发生磷酸化修饰,糖原磷酸化酶b激酶就被激活,并以糖原磷酸化酶b为底物,使其发生磷酸化修饰进而转变成有活性的糖原磷酸化酶a。糖原磷酸化酶a即可以催化糖原的磷酸解反应。在整个信号转导过程中,多个环节出现一种酶以另一种酶作为底物而导致信号层层放大的现象。激素作用能够产生了强大的生物学效应主要与此有关。

PKA在脂肪细胞内的底物是对激素敏感的脂肪酶,该酶磷酸化后才有活性。因此,在PKA可激活脂肪在脂肪细胞内的水解。

PKA除了能直接调节许多蛋白质或酶的活性而产生“快反应”以外,还能通过激活一种特殊的转录因子来调节特定的基因表达,从而产生“慢反应”。产生“慢反应”的具体过程是:cAMP作用PKA,导致PKA的R亚基和C亚基解离。单独的C亚基进入细胞核,催化CRE结合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)的磷酸化(Ser 113)。被磷酸化修饰的CREB与DNA分子上的cAMP应答元件(CRE)结合,然后将由CREB结合蛋白(CBP)和p300蛋白所形成的HAT酶复合物招募过来,共同激活下游基因的表达(参看第四十三章真核生物的基因表达调控)。CRE的一致序列为TGACGTCA。

主要成分(Major players)

  1. 激素实例:胰高血糖素和肾上腺素(Hormone examples: Glucagon and Epinephrine)
  2. 内分泌细胞:肾上腺髓质和胰岛的α细胞(Endocrine cells: medulla of the adrenal gland and the α cell of the pancreas)
  3. 靶细胞:肌肉(胰高血糖素不是)、肝和脂肪组织等(Target cells: muscle(not glucagon), liver and adipose tissue)
  4. 受体:与G蛋白偶联的受体(Receptor: GPCR)
  5. G蛋白:Gs(G protein: Gs)
  6. 效应器:腺苷酸环化酶(Effector: adenylate cyclase or AC)
  7. 第二信使:cAMP(Second messenger: cAMP)
  8. 蛋白质激酶:蛋白质激酶A(Protein kinase: PKA)
  9. 功能:糖原和脂肪降解(Functions: Breakdown of glycogen and fats)

参考资料

  • 南京大学 杨荣武老师 《结构生物学》课件
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