Kovalent endring og modifisering via fosforylering (-PO3-) av aminosyrene serin, treonin, tyrosin eller histidin er en reversibel reguleringsmekanisme som påvirker den tredimensjonale strukturen til proteiner og det aktive sete for binding av substrater eller inhibitorer til enzymer. Vanligvis inngår magnesium (Mg2+) i reaksjonen som Mg-ATP.
enzym + ATP ↔ enzym-PO3- + ADP
Protein kinaser deltar i signaloverfrøing.
Protein kinase A, B, C , G og R
Hos eukaryotene (gjær, sopp, alger, planter, dyr og mennesker) er det en superfamilie med protein kinaser som er homologe og har tolv konserverte regioner. Disse protein kinasene deltar i forskjellige prosesser i fysiologi og cellemetabolisme
Protein kinase A
protein kinase A blir kontrollert av syklisk AMP (cAMP) og kalles syklisk-AMP-avhengige protein kinaser. I planteceller som ikke er stimulert på noe vis opprettholdes en lav konsentrasjon av kalsium (Ca2+) i cytosol ved et aktivt Ca2+ transportsystem i plasmamembranen og i organeller. Det er lave kalsiumkonsentrasjoner i cytoplasma og i sammenheng med åpning av kalsiumkanaler deltar Ca2+-avhengig protein kinase (CDPK) eller kalmodulin bindende protein kinase.
Hos dyr har protein kinase A viktige funksjoner i omsetning av glykogen og lipider og regulering av sukkerkonsentrasjon i blod. Den amerikanske biokjemikeren Edwin G Krebs (1918-2009) og Edmond H Fischer f. 1920 fikk nobelprisen I fysiologi eller medisin I 1992 for «oppdagelsen av reversibel protein fosforylering som en biologisk reguleringsmekanisme». I menneskegenomet er det gener som koder for flere enn 500 protein kinase A. Hormonsignelet fra adrenalin og glukagon mottatt av G-proteinkoblete reseptorer resulterer i aktivering av protein kinase A.
Protein kinase B
Protein kinase B (PKB) er serin-treoninspesifikke protein kinaser som fosforylerer hydroksylgruppen på aminosyrene serin og treonin i proteiner. Hos dyr deltar protein kinase B i celledeling, apoptose, omsetning av glukose. Flere protein kinase B har bindingsseter for fosfoinositider. Fosfatgruppen blir fjernet av tilhøren protein fosfataser.
Protein kinase C
Protein kinase C (PKC) er serin-treonin protein kinaser og som kan bli aktivert av kalsium (Ca2+) og diacylglycerol (DAG). Hos mennesker er det femten forskjellige grupper protein kinase C som deltar i regulering av en lang rekke fysiologiske prosesser i organismen.
Protein kinase G
Protein kinase G (PKG) blir regulert av syklisk GMP (cGMP), fosforylerer serin og/eller treonin (serin-treonin kinaser) og kalles cGMP-avhengige protein kinaser . Hos pattedyr deltar protein kinase G i celledeling, dannelse av tromblocytter i blod (blodplater)muskelavslapning, dannelse av spermceller,
Protein kinase R
Protein kinase R (PKR) er en dobbelttrådet RNA-aktivert protein kinase som kan bli indusert av interferon fra immunsystemet, og deltar i registrering av stresstilstander og virusangrep. PKR blir aktivert av dobbelttrådet RNA fra en virusinfeksjon PKR kan bli aktivert av patogener, betennelser via cytokiner, næringsmangel, samt ufoldet proteinrespons (UFR) i endoplasmatisk retikulum, UFR oppstår ved en større mengder feilfoldete eller upakkete proteiner.
Kalsium-kalmodulin aktiverte protein kinaser
Kalsium (Ca2+)-kalmodulin aktiverte protein kinaser (CAMK) er substratspesifikke eller multifunksjonelle serin-treonin kinaser som blir aktivert av økt intracellulær konsentrasjon av kalsium og kalmodulin. Konsentrasjonen av kalsium (Ca2+) i cytoplasma virker som en sekundær budbringer i signalveier i cellene. Generelt er kalsiumkonsentrasjonen i cytoplasma meget lav, 50-100 nanomolar (nM), men når spenningsregulerte kalsiumkanaler blir åpnet skjer det en rask økning i kalsiumkonsentrasjonen. Kalmodulin er et lite protein, 17 kDa, og har en evolusjonært konservert struktur hos eukaryotene. Hvert kalmodulin har fire bindingsseter for kalsium. Ca2+/kalmodulin aktiverte protein kinaser bruker magnesium (Mg2+) og ATP til å fosforylere blant annet transkripsjonsfaktorer, e.g. CREB med cAMP-responselement (CRE). CAMK deltar i regulering av apoptose, organisering av cytoskjelett og deltar som en komponent i hukommelse i hjernen hos pattedyr. Substratspesfikke CAMK kan virke som fosforylase kinase, elongeringsfaktor 2 kinase eller lett kjeden myosin kinase. Det er flere hovedtyper CAMKI og CAMKII, samt CAMKIII og CAMKIV. CAMKII finnes blant annet i hjerte og bukspyttkjertel (pankreas) hos pattedyr. CAMKII finnes i fire isoformer Det finnes også CAM kinase kinaser, kalmodulin-avhengigprotein kinase kinase som fosforylerer CAMK. Strukturen har store likhetstrekk med protein kinase A .
cAMP-avhengig protein kinase
cAMP-avhengig protein kinase (protein kinase A) deltar i regulering av enzymet glykogen syntase som deltar i biosyntesen av glykogen hos dyr, og fosforylase b-kinase som deltar i nedbrytning av glykogen. cAMP-avhengig protein kinase er også med å regulere enzymet pyruvat kinase, samt fosfofruktokinase /fruktose 2,6-bisfosfatase i glykolyse / glukoneogenese, samt i pyruvat dehydrogenase som katalyserer overgangen mellom pyruvat og acetyl-CoA. cAMP-avhengig protein kinase regulerer tyrosin hydroksylase som deltar i biosyntesen av biogene aminer som L-DOPA, dopamin, adrenalin og noradrenalin. Andre eksempler er fosforylering av histon H1 og H2b som deltar i pakking av DNA; hormonregulert lipase i oksidasjon av fettsyrer.
Reseptorkinaser
Reseptorlignende protein kinase (RLK) i plasmamembranen mottar signaler fra utsiden av cellene og overfører det til det indre av cellene e.g. reseptor tyrosin kinase.
Ekstracellulære signalregulerte protein kinaser
Ekstracellulære signalregulerte protein kinaser (ERK1-2) er serin-threonin kinaser som deltar i signalkaskaden Ras-Raf-MEK-ERK. Økt aktivitet til signalkaskaden kan medvirke i kreftutvikling. Det fommes ,fem isoformer av ERK, men vanligst er ERK1 og ERK2 som hører med til signalfamilien mitogenaktivert protein kinase (MAPK). Deltar i signaloverføring til cellekjernen tilknyttet celledeling, cellesyklus, cellevekst og differensiering. ERK1-2 er multifunksjonelle serin-threonin kinase som kan fosforylere mange substrater e.g. protein kinaser, reseptorer, signalmolekyler, transkripsjonsfaktorer og stillasproteiner
Kaskader med protein fosforylering
En protein kinase som fosforylerer en protein kinase som igjen fosforylerer en kinase kan gi en kaskade med fosforyleringer av proteiner (MAPK kaskade, mitogenaktiverte protein kinaser), og motsatt vei avfosforylert av protein fosfataser. Proteinkinasene Raf-1, MEK og ERK hos pattedyr er eksempel på en slik fosforyleringskaskade, som kan induseres av epidermale vekstfaktorer og plateepitel avledete vekstfaktorer. Fosforyleringer og autofosforyleringer gir konformasjonsendringer i proteiner. I signaloverføringsveien fra hormonet insulin binder seg til overflatereseptorer på celler til signalet når genomet i cellekjernen skjer via slike protein kinase kaskader. Celledeling er et annet eksempel på kaskader med protein fosforylering.
Fosfoproteomikk omhandler studiet av fosforylerte proteiner, protein kinaser og reguleringsnettverk.
Celledeling og protein kinaser
Celledeling og cellesyklus er strengt regulert og der deltar syklin-avhengig protein kinase (CDK), samt en kaskade og nettverk med protein kinaser tilknyttet mitosen, og som fosforylerer hverandre, de er mitogene som mitogen-aktivert protein kinase (MAPK), MAPK-aktivert protein kinase (MAPKK). MAPKK-aktivert protein kinase (MAPKKK) som kan samvirke med G-proteiner. MAP-kinase kaskaden deltar i regulering av vekst og utvikling via styring av aktiviteten til transkripsjonsfaktorer i cellekjernen. De deltar i forsvarssystemet som gir beskyttelse mot potensielle skadelige organismer. Protein fosfatasene hører også med til en superfamilie av proteiner.
ATR kinase (ataxia telangiectasia og Rad3.relatert protein) er en serin/threonin protein kinase som aktiverer signaloverføring ved DNA-skader som skyldes ioniserende stråling og ultrafiolett stråling.
Membranfosfolipider i signaloverføring
Fosfatidylinositol er forkomponent for polyfosfoinositider, et vanlig fosfolipid i dyr og planter, og utgjør sammen med fosfatidylcholin og fosfatidyletanolamin opptil 20 % av fosfolipidene i membraner. Polyfosfoinositider er i konstant omsetning vha. av spesifikke kinaser og fosfataser. I eukaryote celler kan det være kaskader av fosforyleringer katalysert av mitogenaktiverte protein kinaser. Fosfatidylinositol 4,5.bisfosfat (PIP2) og fosfatidylinositol,3,4,5-trisfosfat (PIP3) er sekundære budbringere i cellemembranen. For eksempel når protein kinase B (PKB) binder seg PiP3 som stikker ut fra membranen så skjer det en ny fosforylering av protein kinase. Fosforylering og defosforylering av fosfoinositider skjer via vanlige kinaser og fosfataser, altså ikke vai protein kinaser og protein fosfataser.
Protein tyrosin kinase
Tyrosin kinase overfører en fosfatgruppe fra ATP over til hydroksylgruppen i den aromatiske aminsyren tyrosin i proteiner. Fosforylering av tyrosin er en sentral av-på-bryter i metabolismen hos dyr. Tyrosin kinase samvirker med tyrosin fosfatase som kan fjerne fosfatgruppen på tyrosin . Tyrosin kinase deltar i en signalkaskade, og har en sentral funksjon i regulering av celledeling og cellesyklus. Det er to hovedgrupper tyrosin kinaser: de som finnes i cytoplasama og de som danner transmembranproteiner og reseptorkinaser. Siden protein tyrosin kinaser har viktig funksjon i celledeling blir det utviklet forskjellige legemidler i kreftbehandling som har til oppgave å hemme eller blokkere tyrosin kinaser.
Reseptor tyrosin kinaser
Reseptor tyrosin kinaser er en gruppe plasmamembranproteiner kan overføre et signal fra utsiden av en cellemembran over til innsiden. Reseptor tyrosin kinaser er transmembranproteiner som har bindingssete for vekstfaktorer på utsiden av cellemembranen og og inneholder et domene med tyrosin kinase på innsiden av membranen inn mot cytoplasma. Vekstfaktorer (GR, growth factor) hos pattedyr som virker via reseptor protein kinaser er: epidermal vekstfaktor (EFGR), blodplateavledet vekstfaktor (PDFGR), nervevekstfaktor (TrkA), fibroblastvekstfaktor (FGFR), vaskulær epidermal vekstfaktor (VEGFR). Hormonet insulin virker også via reseptor tyrosin kinase.
Protein histidin kinase
Protein histidin kinase er forskjellig fra tyrosin kinaser og serin/treonin kinaser, og gamma (γ)-fosforylgruppen i ATP blir festet til et N-atom i imidazolgruppen i histidin.
Protein histidin kinase deltar i et tokomponent signaloverføringssystem i bakterier (tokomponent histidin kinase)
Protein-L-histidin + ATP ↔ protein-N-fosfos-L-histidin + ADP
Et stimulus eller omgivelsessignal (temperatur, osmostiske forhold, små molekyler, antimikrobielle stoffer) blir registrert av histidin kinase og overført via en responsregulator som binder seg til DNA og gir respons. Fosfatgruppen i histidin blir overført til aspartat i responsregulatoren, men histidin kinase kan også inneholde protein fosfataseaktivitet.