Remove ads
Biokémiában a kináz egy enzim, mely a foszfátcsoport átvitelét katalizálja egy magas energiaszintű, foszfátcsoport átadására képes molekuláról egy meghatározott szubsztrátra. Ez a folyamat a foszforiláció. Az átészteresítés során egy foszforilált szubsztrát és egy defoszforilált koenzim keletkezik, pl. ADP. Az ezzel ellentétes folyamatot defoszforilációnak nevezzük, ilyenkor a foszforilált szubsztrát elveszíti a foszfátcsoportját, átadva azt egy ADP molekulának (a szubsztrát tehát ekkor defoszforilált állapotba kerül, az ADP-ből pedig ATP keletkezik). A foszforiláció és defoszforilácó két egymással ellentétes folyamat, a glikolízisben is mindkettő megjelenik, a folyamatsorban összesen négy ilyen reakció figyelhető meg.[1][2][3] A kinázok a foszfotranszferázok egy nagyobb családjába tartoznak. Nem összetévesztendőek a foszforilázokkal, amik szervetlen foszfátcsoport átadását katalizálják, sem a foszfatázokkal, melyek a foszfátcsoport eltávolításában vesznek részt. Az adott molekula foszforilációs állapota is (legyen az fehérje, lipid vagy szénhidrát) befolyásolja az enzim aktivitását, reakciókészségét és más molekulákhoz való kötődési képességét. Így a kinázok elengedhetetlen szerepet töltenek be a metabolizmusban, sejtszignalizációs folyamatokban, poszttranszlációs módosításokban, sejten belüli transzportfolyamatokban, szekréciós és számos más folyamatban, vagyis az emberi szervezet működésének nagyon fontos összetevői.
Remove ads
A kinázok egy magas energiaszintű molekula (pl. ATP) és egy szubsztrát közötti foszfátrész átvitelében közvetítenek. Szükség van ezekre az enzimekre a reakció stabilizálásához, a foszfoanhidrid-kötés nagy energiatartalma miatt. A kinázok a foszforilcsoportot és a szubsztrátjukat a megfelelő helyre irányítják az aktív centrumukon belül, ezáltal felgyorsul a reakció. Emellett gyakran pozitív töltésű aminosav-maradványokat is felhasználnak, melyek elektrosztatikusan stabilizálják az átmeneti állapotot azáltal, hogy kölcsönhatásba lépnek a negatívan töltött foszfátcsoportokkal. Más kinázok az aktív helyük részét képező kofaktorok segítségével koordinálják a foszfátcsoportokat. A proteinkinázok katalitikusan aktív (kanonikus) vagy pszeudokinázoknak tekinthetőek, ugyanis az evolúció során egy vagy több olyan katalitikus aminosavat is elvesztettek, melyek az ATP enzimen való elhelyezésében vagy hidrolízisében vettek részt.[4] Azonban a kinázok és a pszeudokinázok is fontos jelátviteli modulátorok, így jelentős terápiás célpontokat is jelentenek.[5]
A kinázokat széles körben használják jelek továbbítására, valamint sejtek komplex folyamatainak szabályozására. A reakcióban résztvevő molekulák foszforilációja serkentheti és gátolhatja az aktivitásukat, illetve szabályozhatja a más molekulákkal való kölcsönhatásukat is. A foszforiláció és defoszforiláció azonban enzimeken (így pl. kinázokon) is végbe mehet, ezek az aktivitásukat befolyásolják, vagyis „ki-be kapcsolják” őket. A kinázokban fellépő mutáció teljes vagy részleges funkcióvesztéshez vezet, ami rákot[6] és más betegségeket idézhet elő, beleértve például a leukémiát, neuroblasztómát, gliablasztómát,[7] 14-es típusú spinocerebelláris ataxiát és különféle agammaglobulinémiát.[8]
Remove ads
Az első fehérjét, mely ATP felhasználásával egy másik protein foszforilációját katalizálta, Gene Kennedy figyelte meg 1954-ben. Ekkor írt le egy májban található enzimet, mely a kazein foszforilációját katalizálja. 1956-ban Edmond H. Fischer és Edwin G. Krebs fedezte fel a kapcsolatot a foszforiláz a és foszforiláz b között. Ezek az enzimek csak egy foszfátcsoportban különböznek egymástól, tehát foszforilációval és defoszforilációval egyik a másikba alakíthatóak.[9] Azt a kinázt, mely a csoport átvitelében részt vesz, és foszforiláz b foszforilációjával foszforiláz a-t hoz létre, foszforiláz-kináznak nevezték el. Évekkel később az első kinázkaszkádot is azonosították, mely során a protein-kináz A (PKA) foszforilálta a foszforiláz-kinázt. Ugyanebben az időben figyelték meg, hogy a foszforiláció inhibíciót is eredményezhet, a glikogén-szintáz enzim PKA általi foszforilációja ugyanis gátlást eredményezett, az enzim inaktiválódott. 1969-ben Lester Reed észrevette, hogy a piruvát-dehidrogenáz foszforilációval inaktív formába kerül. Ez a felfedezés volt az első bizonyíték arra, hogy a foszforiláció a glikogén-anyagcserén kívül már metabolikus útvonalakban is szabályoz. Ugyanebben az évben fedezte fel Tom Langan, hogy a PKA a H1 hisztonfehérjét is foszforilálja, mely arra engedett következtetni, hogy ez a folyamat nemcsak enzimfunkcióval rendelkező fehérjéket szabályoz. Az 1970-es évek felfedezései között szerepeltek a kalmodulin-függő proteinkinázok, illetve az a meglátás, hogy egy fehérje több aminosava is foszforilálható lehet. Az 1990-es éveket a proteinkináz-kaszkádok évtizedeként tartják számon. Ekkor ismerték meg ugyanis a MAPK/ERK jelutat, a JAK-kinázokat (a protein tirozin kinázok családját) és a PIP3-függő kinázkaszkádot.[10]
A kinázokat szubsztrátjuk milyenségétől függően sorolják a következő nagyobb csoportokba: proteinkinázok, lipidkinázok, szénhidrátkinázok. Széleskörűen elterjedtek, a baktériumoktól kezdve a penészgombákon és férgeken át az emlősökig számos fajban találkozhatunk velük.[11] Több mint ötszáz különböző kinázt azonosítottak az emberben,[1] diverzitásuk és szignalizációban betöltött szerepük érdekes tanulmányi tárgyat képeznek. Különböző más kinázok kisebb molekulákra hatnak. A specifikus kinázokat gyakran a szubsztrátjuk után nevezik el. A proteinkinázok sokszor több szubsztrátot kötnek magukhoz, illetve egy molekula több enzim szubsztrátját is képezheti. Emiatt a proteinkinázok az aktivitásukat szabályozó molekuláról kapják a nevüket (pl. kalmodulin-függő proteinkináz). Néha ezek alcsoportokra is bonthatóak, mert számos izoenzimforma létezik. Például az I-es és II-es típusú ciklikus AMP-függő proteinkinázoknak megegyezik a katalitikus alegyégük, de a regulátor (szabályozó) alegységük, mely a cAMP-t köti, már különböző.[12]
Remove ads
A proteinkinázok fehérjékre hatnak, foszforilálva őket a szerin, treonin, tirozin vagy hisztidin aminosavaikon. A foszforiláció számos módon módosíthatja egy fehérje működését. Növelheti vagy csökkentheti az aktivitását, stabilizáhatlja vagy megjelölheti mint lebontandó molekulát, meghatározott sejtkompartmentbe irányíthatja, kölcsönhatást létesíthet más fehérjékkel vagy megszüntetheti azt. A kinázok többségét a proteinkinázok teszik ki, és széles körben tanulmányozzák.[13] Ezek a kinázok a foszfatázokkal egyetemben fontos szerepet töltenek be a fehérje- és enzimszabályozásban, valamint a sejtszignalizációban.
Számtalan példa van a kovalens módosításokra, melyeket a sejten belüli fehérjék végzik, és a foszforiláció is a kevés reverzibilis kovalens módosítás egyike. Ez az észrevétel magyarázatot adott a fehérjék foszforilációjának szabályozó mivoltára. Tehát a fehérjefunkciók szabályozására rengeteg lehetőség van, tekintve, hogy az allosztérikus szabályozás mellett még a különféle kovalens módosítások is beleszólhatnak a folyamatokba. Edwin Krebs a Hopkins-emlékelőadásában azt állította, az evolúció során az allosztérikus szabályozás elsősorban a sejten belüli szignálmolekulák felfogására alakult ki, míg a foszforiláció a sejten kívüli jelekére. Ez az ötlet összefüggésbe hozható azzal a ténnyel, hogy fehérjefoszforiláció gyakrabban figyelhető meg eukarióta sejtek esetében a prokarióta sejtekhez képest, ugyanis a komplexebb sejttípusnak a külső jelek szélesebb skálájára kell válaszolnia.[12]
Ciklin-dependens kinázok
A ciklin-dependens kinázok (avagy Cdk-k) egy sejtciklus szabályozásában résztvevő kinázcsoport. Fehérjék szerin és treonin aminosavain történik a foszforiláció, de ahhoz, hogy a Cdk-k aktiválódjanak, először egy ciklin fehérjéhez kell kapcsolódniuk.[14] A különböző ciklinek specifikus Cdk-khoz kötődnek, mindegyik a sejtciklus különböző pontjain szabályoz. A foszforilációs állapot is kritikus tényező a Cdk-k aktivitása szempontjából, ugyanis ezek más kinázok (mint a Cdk-aktiváló kináz) és foszfatázok (pl. Cdc25) szabályozása alá tartoznak.[15] Miután a Cdk aktiválódott, és foszforilálta az adott fehérjét, olyan folyamatok játszódnak le, melyek következtében a sejtciklus egy adott szakaszból egy következőbe léphet. Legismertebb feladatuk tehát a sejtciklus szabályozása, de a transzkripcióban (RNS-szintézisben), metabolikus folyamatokban és még más sejtfolyamatokban is fontos szerepet játszanak.[16]
A sejtosztódás szabályozásában betöltött kulcsfontosságú szerepük miatt a rákos sejtekben gyakran hibás Cdk-k találhatóak. A bennük végbement mutáció kontrollálatlan sejtnövekedéshez vezet, a ciklus felgyorsul, így rövid idő alatt sok új sejt képződik. Cdk-mutáció figyelhető meg a limfómában, a mellrákban, a hasnyálmirigytumorban és a tüdőrákban. Ennek következtében kifejlesztett Cdk-inhibitorokkal kezelhető a rákos megbetegedések egy része.[17]
Mitogén-aktivált proteinkinázok
A MAP-kinázok (MAPK-k) a szerin-treonin kinázok egy családja, melyek számos extracelluláris növekedési faktorra válaszolnak. A növekedési hormon és az inzulin például mitogénstimuláló hormonok, melyek hatására beindul a MAPK-sejtút. A receptorszintű aktiválás egy szignalizációs kaszkádot indít el, mely során a Ras GTPáz enzim a GDP foszforilációját katalizálja, GTP-t eredményezve. Ezután a Ras aktiválja a Raf kinázt (más néven MAPKKK-t), ami aktiválja a MEK-et (MAPKK-t), a MEK pedig a MAPK-t (ERK-t), mely utóbbi a transzkripciós és transzlációs folyamatokban szabályoz. Míg a RAF és a MAPK szerin-treonin kinázok, a MAPKK a tirozin-treonin kinázok közé tartozik.
A MAPK közvetlenül és közvetett módon is képes szabályozni a transzkripciós faktorokat. Fő célpontjait képezik a következők: ATF-2, Chop, c-Jun, c-Myc, DPC4, Elk-1, Ets1, Max, MEF2C, NFAT4, Sap1a, STATs, Tal, p53, CREB és Myc. A MAPK a transzlációba is beleszólhat azáltal, hogy foszforilálja az S6-kinázt a riboszóma nagy alegységében, mindemellett a MAPK jelátviteli út korábbi szakaszainak komponenseit is foszforilálhatja, beleértve a Ras-t, Sos-t és magát az EGF-receptort is.[18]
A MAPK-sejtútnak nagy szerepe lehet a rák kialakulásában, így ez egy klinikailag is jelentős folyamatsor. Kontrollálatlan sejtosztódás, majd tumor is kialakulhat; a jelátviteli úton belül bekövetkező mutációk ugyanis megváltoztatják annak a sejtdifferenciációra, a proliferációra (sejtosztódásra), a túlélésre és az apoptózisra gyakorolt hatását, melyek mindegyike érintett a különböző ráktípusok kialakulásában.[18]
Remove ads
A lipidkinázok lipideket foszforilálnak a sejt plazmamembránjában és a belső membránrendszerben. A rájuk került foszfátcsoportok megváltoztathatják a lipid reakcióképességét, lokalizációját, illetve a jelátvitelben is fontos szerepet játszhatnak.
Foszfatidilinozitol-kinázok
A foszfatidilinozitol-kinázok a foszfatidilinozitolokat foszforilálják, és ezáltal olyan molekulák keletkeznek, mint a foszfatidilinozitol-3,4-biszfoszfát (PI(3,4)P2), foszfatidilinozitol-3,4,5-trifoszfát (PIP3),és a foszfatidilinozitol-3-foszfát (PI3P). A kinázok közé tartozik a foszfoinozitid-3-kináz (PI3K), a foszfatidilinozitol-4-foszfát-3-kináz és a foszfatidilinozitol-4,5-biszfoszfát-3-kináz is. A foszfatidilinozitol foszforilációs állapota jelentős szerepet játszik a sejtszignalizációban, mint például az inzulin-jelátviteli útban, az endo- és exocitózisban, valamint más szállítási folyamatokban is.[19][20] Ezeknek a kinázoknak, például a PI3K-nak, a mutációja rákot vagy inzulinrezisztenciát okozhat.[21]
A kináz enzimek nukleofilebbé teszik az inozitolok hidroxilcsoportját, gyakran egy aminosavoldalláncot felhasználva általános bázisként, mely deprotonálja a hidroxilcsoportot, és ezáltal a foszfátcsoport könnyebben hozzákötődik, vagyis nő a reakciósebesség. Ez látszik a lenti ábra mechanizmusán is, egy ATP és egy foszfatidilinozitol reakciójában. A „B”-ként jelölt bázis az enzim egy aminosavának az oldallánca, a foszfátdonor az ATP, mely a foszfátcsoportját a foszfatidilinozitolnak adja át.[22] Termékként végül egy foszfatidilinozitol-3-foszfát és egy ADP keletkezik. Az enzimek (gyakran fémionokkal) abban is segítenek a két molekulának, hogy megfelelő térhelyzetben találkozzanak, a reakciót még gyorsabbá téve.[22]
Szfingozinkinázok
A szfingozinkinázok (SK) olyan lipidkinázok, melyek a szfingozin szfingozin-1-foszfáttá (S1P) alakulását katalizálják. A szfingolipidekről általánosságban elmondható, hogy ezek mindenütt előforduló membránlipidek. Aktivációja után a szfingozin-kináz a citoszolból a sejthártyára vándorol, ahol az ATP vagy GTP terminális foszfátcsoportja a szfingozinra kerül. A szfingozin-1-foszfát az S1P-receptorhoz (vagyis egy GPCR-receptorhoz) kapcsolódva G-proteinek által közvetített jelutakat szabályoz. A folyamatsor végén felszabaduló szignál intracelluláris effektorokat aktivál, például ERK-kat, Rho GTPázt, Rac GTPázt, PLC-t és AKT/P13K-t, de rögtön a célmolekulán is kifejtheti a hatását. A szfingozin-1-foszfát közvetlenül gátolja a hiszton-deacetilázok működését. Ezzel szemben a defoszforilált állapotú szfingozin elősegíti az apoptózist, vagyis meghatározza a sejt sorsát, ezért különösen fontos, hogy megértsük a szfingozin-kinázok szabályozását. A kutatások azt mutatják, hogy szerepük lehet a rákos sejtek növekedésében is, mert elősegítik a sejtosztódást, és az SK1 (a szfingozin-kinázok egy típusa) magas koncentrációban van jelen bizonyos rákos sejtekben.
Két szinfozin-kináz található egy emlős sejtben, az SK1 és az SK2. Az SK1 specifikusabb, mint az SK2, és az expressziós mintázatukban is különböznek egymástól. Az SK1 a tüdőben, a lépben és a leukocitákban fejeződik ki, míg az SK2 a vesében és a májsejtekben expresszálódik. Mivel részt vesznek a sejt túlélési, proliferációs, differenciációs és gyulladási folyamatainak szabályozásában, kemoterápiás kezelések alapját képezhetik a kinázinhibitorok.[23]
Remove ads
Az emlősök jelentős részénél a szénhidrátok nagy mértékben lefedik a szükséges napi kalóriabevitelt. Ahhoz, hogy a szervezet energiát nyerhessen ki belőlük, először monoszacharidokra kell őket bontania, hogy beléphessenek az anyagcsere-folyamatokba. A kinázok majdnem minden metabolikus útban fontos szerepet töltenek be. A fent látható ábra a glikolízis lépéseit mutatja be. Négy kináz által katalizált reakció látható rajta, ebből kettő valóban foszforilációval jár (a másik két esetben defoszforiláció történik, de az enzimek elnevezése során a velük megegyező, azonban ellentétes irányú reakciókat vették figyelembe.)
Hexo/glükokináz: Mindkét kináz a glükóz-glükóz-6-foszfát átalakulást katalizálja ATP felhasználásával, viszont a glükokináz specifikus a glükózra, csak a májsejtben található meg, és a glükóz-6-foszfát allosztérikusan nem gátolja, mint ahogy az a hexokináz esetében megfigyelhető. Ez a reakció a glikolízis első és egyben elkötelező lépése, hiszen a foszfátcsoport-áthelyezéssel a glükóz a sejten belül marad a negatív töltés következtében.[24] A hexokináz génjében történő mutáció hexokináz-deficienciához vezethet, ami (nem spherocytosis okozta) hemolitikus anémiát idézhet elő.[25]
Foszfofruktokináz: A fruktóz-6-foszfátból fruktóz-1,6-biszfoszfát keletkezik. Az átalakulás a fent említett reakcióhoz hasonlóan irreverzibilis, így az enzim működése is erősen szabályozott. A magas ATP- és citrátszint allosztérikusan gátolja, a foszfofruktokináz II- és AMP-szint emelkedése pedig serkenti a működését. Az előbbi molekulák nagyobb mennyisége azt jelenti, hogy a glikolízis fokozottan vagy megfelelően működik, az utóbbi pedig azt közvetíti, hogy a sejtnek több energiára, tehát fokozott glikolízisre van szüksége. A foszfofruktokináz nem megfelelő működése következtében foszfofruktokináz-deficiencia, másnéven Tauri-betegség alakul ki. Ez egy glikogénraktározási betegség, a fokozott izommunka izomkárosodást okozhat.[26]
Remove ads
A kinázok a fehérjéken, lipideken és szénhidrátokon kívül számos más molekulán is kifejthetik hatásukat. Néhány, mint a nukleozid-foszfát-kinázok és a nukleozid-difoszfát-kinázok nukleinsavak (DNS, RNS) reakcióját katalizálják.[28] Kinázok szubsztrátja lehet még például a kreatin, 3-foszfoglicerát, riboflavin, dihidroxi-aceton vagy sikimisav is.
Riboflavinkináz
A riboflavinkinázok a riboflavin foszforilációját katalizálják, melynek következtében flavin-mononukleotid (FMN) jön létre. A riboflavin az enzimhez kötődik, majd az ATP-hez kapcsolódik, végül pedig már csak a foszfátcsoport marad a molekulán. Kétszeresen pozitív töltésű kationok segítenek a nukleotid koordinálásában.[29] Az általános mechanizmus a lenti ábrán látható.
A riboflavinkinázok fontos szerepet töltenek be az enzimműködésekben, az FMN ugyanis kofaktorként funkcionál, emellett pedig a flavin-adenin-dinkuleotid (FAD) prekurzor-molekulája, mely szintén jelentős mennyiségű enzim kofaktora. Vannak olyan kinázok, melyek mindkét reakció katalizálására képesek, azaz a riboflavin-FMN és az FMN-FAD átalakulásban is segédkeznek.[30] Ezek a kinázok a jövőben segíthetnek a stroke megelőzésében, valamint annak kezelésében.[31] Egerek esetében megfigyelték, hogy fertőzés során is érintettek lehetnek, változásokat idézve elő a riboflavin metabolizmusában.[32]
Timidinkináz
A timidinkináz a nukleozidkinázok egyike, mely a nukleozidok foszforilációjáért felelős. A timidinből így timidin-monofoszfát (dTMP) keletkezik ATP molekula felhasználásával. A foszfátcsoport timidinre való átvitele segít a nukleotidok szintjének szabályozásában, de ugyanez figyelhető meg más nukleotidok esetében is.
A dTMP molekula keletkezése után egy másik kináz, a timidilétkináz segít annak tovább foszforilálásában, létrehozva a dTDP molekulát. A nukleotid-difoszfát-kináz által jön létre a timidin-trifoszfát (dTTP), mely a DNS-szintézisben kerül felhasználásra. Emiatt a timidinkináz aktivitása szorosan összefügg a sejtciklussal, illetve tumormarkerként is használják a laborkémiában,[33] így prognózist is lehet ez alapján készíteni.[34] A timidinkináz génjében bekövetkező mutáció a mitokondriális depléciószindróma kialakulását okozhatja, ami már kisgyermekkorban halálhoz vezet.[35]
Remove ads
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
Remove ads