Kinase - Kinase

Diidroxiacetona quinase em complexo com um análogo de ATP não hidrolisável (AMP-PNP). Coordenadas do PDB ID: 1UN9.

Em bioquímica , uma quinase é uma enzima que catalisa a transferência de grupos fosfato de moléculas doadoras de fosfato de alta energia para substratos específicos . Esse processo é conhecido como fosforilação , onde a molécula de ATP de alta energia doa um grupo fosfato para a molécula do substrato . Esta transesterificação produz um substrato fosforilado e ADP . Por outro lado, é referido como desfosforilação quando o substrato fosforilado doa um grupo fosfato e ADP ganha um grupo fosfato (produzindo um substrato desfosforilado e a molécula de alta energia de ATP). Esses dois processos, fosforilação e desfosforilação, ocorrem quatro vezes durante a glicólise .

As quinases fazem parte da grande família das fosfotransferases . As quinases não devem ser confundidas com fosforilases , que catalisam a adição de grupos fosfato inorgânicos a um aceptor, nem com fosfatases , que removem grupos fosfato (desfosforilação). O estado de fosforilação de uma molécula, seja uma proteína , um lipídio ou um carboidrato , pode afetar sua atividade, reatividade e capacidade de se ligar a outras moléculas. Portanto, as quinases são críticas no metabolismo , sinalização celular , regulação de proteínas , transporte celular , processos secretores e muitas outras vias celulares, o que as torna muito importantes para a fisiologia humana.

Bioquímica e relevância funcional

Reação geral que é catalisada por quinases

As quinases medeiam a transferência de uma fração de fosfato de uma molécula de alta energia (como ATP ) para a molécula de seu substrato, conforme mostrado na figura abaixo. As quinases são necessárias para estabilizar essa reação porque a ligação fosfoanidrido contém um alto nível de energia. As quinases orientam adequadamente seu substrato e o grupo fosforil dentro de seus sítios ativos, o que aumenta a velocidade da reação. Além disso, eles geralmente usam resíduos de aminoácidos carregados positivamente , que estabilizam eletrostaticamente o estado de transição ao interagir com os grupos fosfato carregados negativamente. Alternativamente, algumas quinases utilizam cofatores de metal ligados em seus locais ativos para coordenar os grupos fosfato. As proteínas quinases podem ser classificadas como cataliticamente ativas (canônicas) ou como pseudoquinases , refletindo a perda evolutiva de um ou mais dos aminoácidos catalíticos que posicionam ou hidrolisam ATP. No entanto, em termos de resultados de sinalização e relevância da doença, tanto as quinases quanto as pseudoquinases são moduladores de sinalização importantes em células humanas, tornando as quinases alvos de drogas muito importantes.

As quinases são amplamente utilizadas para transmitir sinais e regular processos complexos nas células. A fosforilação de moléculas pode aumentar ou inibir sua atividade e modular sua capacidade de interagir com outras moléculas. A adição e remoção de grupos fosforil fornecem à célula um meio de controle porque várias quinases podem responder a diferentes condições ou sinais. Mutações em quinases que levam a uma perda de função ou ganho de função podem causar câncer e doenças em humanos, incluindo certos tipos de leucemia e neuroblastomas , glioblastoma , ataxia espinocerebelar (tipo 14), formas de agamaglobulinemia e muitos outros .

História e classificação

A primeira proteína a ser reconhecida como catalisadora da fosforilação de outra proteína usando ATP foi observada em 1954 por Gene Kennedy , época em que descreveu uma enzima hepática que catalisava a fosforilação da caseína. Em 1956, Edmond H. Fischer e Edwin G. Krebs descobriram que a interconversão entre a fosforilase a e a fosforilase b era mediada por fosoforilação e desfosforilação. A quinase que transferiu um grupo fosforil para a Fosforilase b, convertendo-o em Fosforilase a, foi denominada Fosforilase Quinase. Anos mais tarde, foi identificado o primeiro exemplo de cascata de quinase, em que a Proteína Quinase A (PKA) fosforila a Fosforilase Quinase. Ao mesmo tempo, verificou-se que PKA inibia a glicogênio sintase , que foi o primeiro exemplo de um evento de fosforilação que resultou em inibição. Em 1969, Lester Reed descobriu que a piruvato desidrogenase foi inativada pela fosforilação, e essa descoberta foi a primeira pista de que a fosforilação pode servir como um meio de regulação em outras vias metabólicas além do metabolismo do glicogênio . No mesmo ano, Tom Langan descobriu que PKA fosforila a histona H1, o que sugere que a fosforilação pode regular proteínas não enzimáticas. A década de 1970 incluiu a descoberta de proteínas quinases dependentes de calmodulina e a descoberta de que as proteínas podem ser fosforiladas em mais de um resíduo de aminoácido. A década de 1990 pode ser descrita como a "década das cascatas da proteína quinase". Durante este tempo, a via MAPK / ERK , as JAK quinases (uma família de proteínas tirosina quinases) e a cascata de quinase dependente de PIP3 foram descobertas.

As quinases são classificadas em grupos amplos de acordo com o substrato sobre o qual atuam: proteínas quinases, lipídios quinases, carboidratos quinases. As quinases podem ser encontradas em uma variedade de espécies, de bactérias a fungos, vermes e mamíferos. Mais de quinhentas quinases diferentes foram identificadas em humanos. Sua diversidade e seu papel na sinalização os tornam um interessante objeto de estudo. Várias outras quinases atuam em pequenas moléculas, como lipídios , carboidratos , aminoácidos e nucleotídeos , tanto para sinalização quanto para prepará-los para vias metabólicas. As quinases específicas costumam receber o nome de seus substratos. As proteínas quinases geralmente têm vários substratos e as proteínas podem servir como substratos para mais de uma quinase específica. Por esta razão, as proteínas quinases são nomeadas com base no que regula sua atividade (ou seja, proteínas quinases dependentes de calmodulina). Às vezes, eles são subdivididos em categorias porque existem várias formas isoenzimáticas. Por exemplo, proteínas quinases dependentes de AMP cíclico tipo I e tipo II têm subunidades catalíticas idênticas, mas diferentes subunidades regulatórias que se ligam ao AMP cíclico.

Proteína quinases

Visão geral das vias de transdução de sinal. Muitas das proteínas envolvidas são quinases, incluindo proteínas quinases (como MAPK e JAK ) e lipídios quinases (como PI3K ).

As proteínas quinases atuam sobre as proteínas, fosforilando-as em seus resíduos de serina, treonina, tirosina ou histidina. A fosforilação pode modificar a função de uma proteína de várias maneiras. Pode aumentar ou diminuir a atividade de uma proteína, estabilizá-la ou marcá-la para destruição, localizá-la dentro de um compartimento celular específico e pode iniciar ou interromper sua interação com outras proteínas. As proteínas quinases constituem a maioria de todas as quinases e são amplamente estudadas. Essas quinases, em conjunto com as fosfatases , desempenham um papel importante na regulação de proteínas e enzimas , bem como na sinalização na célula.

Um ponto comum de confusão surge quando se pensa nas diferentes maneiras pelas quais uma célula atinge a regulação biológica. Existem inúmeros exemplos de modificações covalentes que as proteínas celulares podem sofrer; no entanto, a fosforilação é uma das poucas modificações covalentes reversíveis. Isso forneceu a justificativa de que a fosforilação de proteínas é regulatória. O potencial para regular a função da proteína é enorme, visto que existem muitas maneiras de modificar uma proteína covalentemente, além da regulação fornecida pelo controle alostérico. Em sua Hopkins Memorial Lecture, Edwin Krebs afirmou que o controle alostérico evoluiu para responder aos sinais que surgem de dentro da célula, enquanto a fosforilação evoluiu para responder aos sinais fora da célula. Essa ideia é consistente com o fato de que a fosforilação de proteínas ocorre com muito mais frequência em células eucarióticas em comparação com células procarióticas porque o tipo de célula mais complexo evoluiu para responder a uma gama mais ampla de sinais.

Quinases dependentes de ciclina

As quinases dependentes de ciclina (CDKs) são um grupo de várias quinases diferentes envolvidas na regulação do ciclo celular . Eles fosforilam outras proteínas em seus resíduos de serina ou treonina, mas os CDKs devem primeiro se ligar a uma proteína ciclina para serem ativos. Diferentes combinações de CDKs e ciclinas específicas marcam diferentes partes do ciclo celular. Além disso, o estado de fosforilação dos CDKs também é crítico para a sua atividade, uma vez que estão sujeitos à regulação por outras quinases (como a quinase ativadora de CDK ) e fosfatases (como Cdc25 ). Uma vez que os CDKs estão ativos, eles fosforilam outras proteínas para alterar sua atividade, o que leva a eventos necessários para o próximo estágio do ciclo celular. Embora sejam mais conhecidos por sua função no controle do ciclo celular, os CDKs também têm papéis na transcrição, no metabolismo e em outros eventos celulares.

Por causa de seu papel fundamental no controle da divisão celular, as mutações em CDKs são frequentemente encontradas em células cancerosas. Essas mutações levam ao crescimento descontrolado das células, onde passam rapidamente por todo o ciclo celular repetidamente. As mutações de CDK podem ser encontradas em linfomas , câncer de mama , tumores pancreáticos e câncer de pulmão . Portanto, os inibidores de CDK foram desenvolvidos como tratamentos para alguns tipos de câncer.

Proteína quinases ativadas por mitogênio

MAP quinases (MAPKs) são uma família de serina / treonina quinases que respondem a uma variedade de sinais de crescimento extracelular. Por exemplo, hormônio de crescimento, fator de crescimento epidérmico, fator de crescimento derivado de plaquetas e insulina são considerados estímulos mitogênicos que podem envolver a via MAPK. A ativação desta via no nível do receptor inicia uma cascata de sinalização pela qual a Ras GTPase troca GDP por GTP . Em seguida, o Ras ativa a quinase Raf (também conhecida como MAPKKK), que ativa a MEK (MAPKK). MEK ativa MAPK (também conhecido como ERK), que pode continuar a regular a transcrição e tradução . Enquanto RAF e MAPK são ambas serina / treonina quinases, MAPKK é uma tirosina / treonina quinase.

Uma variedade de sinais mitogênicos envolvem a via MAPK e promovem o crescimento e a diferenciação celular por meio de uma cascata de quinase.

MAPK pode regular os fatores de transcrição direta ou indiretamente. Seus principais alvos de transcrição incluem ATF-2, Chop, c-Jun, c-Myc, DPC4, Elk-1, Ets1, Max, MEF2C, NFAT4, Sap1a, STATs, Tal, p53, CREB e Myc. MAPK também pode regular a tradução por fosforilação da S6 quinase na grande subunidade ribossômica. Ele também pode fosforilar componentes na porção a montante da cascata de sinalização de MAPK, incluindo Ras, Sos e o próprio receptor de EGF .

O potencial carcinogênico da via MAPK o torna clinicamente significativo. Está implicado em processos celulares que podem levar ao crescimento descontrolado e subsequente formação de tumor. Mutações dentro dessa via alteram seus efeitos regulatórios na diferenciação , proliferação, sobrevivência e apoptose celular , todas implicadas em várias formas de câncer .

Lipídio quinases

As lipídios-quinases fosforilam os lipídios na célula, tanto na membrana plasmática quanto nas membranas das organelas. A adição de grupos fosfato pode alterar a reatividade e a localização do lipídeo e pode ser usada na transmissão de sinais.

Fosfatidilinositol quinases

A ligação da insulina ao seu receptor permite que a PI3 quinase atraia na membrana, onde pode fosforilar os lipídios PI

Fosfatidilinositol quinases fosforilam fosfatidilinositol espécies, para criar espécies, tais como fosfatidilinositol 3,4-bifosfato (PI (3,4) P ₂ ), fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato (PIP ₃ ), e fosfatidilinositol-3-fosfato (PI3P). As quinases incluem fosfoinositido 3-quinase (PI3K), fosfatidilinositol-4-fosfato 3-quinase e fosfatidilinositol-4,5-bisfosfato 3-quinase . O estado de fosforilação do fosfatidilinositol desempenha um papel importante na sinalização celular , como na via de sinalização da insulina, e também tem papéis na endocitose , exocitose e outros eventos de tráfego. Mutações nessas quinases, como PI3K, podem causar câncer ou resistência à insulina .

As enzimas quinase aumentam a velocidade das reações tornando o grupo hidroxila do inositol mais nucleofílico, geralmente usando a cadeia lateral de um resíduo de aminoácido para atuar como uma base geral e desprotonar a hidroxila, como visto no mecanismo abaixo. Aqui, uma reação entre trifosfato de adenosina (ATP) e fosfatidilinositol é coordenada. O resultado final é um fosfatidilinositol-3-fosfato, bem como difosfato de adenosina (ADP) . As enzimas também podem ajudar a orientar adequadamente a molécula de ATP, assim como o grupo inositol, para tornar a reação mais rápida. Os íons metálicos são frequentemente coordenados para esse propósito.

Mecanismo da fosfatidilinositol-3 quinase. ATP e fosfatidilinositol reagir para formar o fosfatidilinositol-3-fosfato e ADP, com a ajuda de uma base geral B .

Esfingosina quinases

A esfingosina quinase (SK) é uma lipídio quinase que catalisa a conversão da esfingosina em esfingosina-1-fosfato (S1P). Os esfingolipídios são lipídios de membrana ubíquos. Após a ativação, a esfingosina quinase migra do citosol para a membrana plasmática, onde transfere um γ fosfato (que é o último ou terminal fosfato) do ATP ou GTP para a esfingosina. O receptor S1P é um receptor GPCR , então S1P tem a capacidade de regular a sinalização da proteína G. O sinal resultante pode ativar efetores intracelulares como ERKs, Rho GTPase , Rac GTPase , PLC e AKT / PI3K. Ele também pode exercer seu efeito sobre as moléculas-alvo dentro da célula. Foi demonstrado que o S1P inibe diretamente a atividade da histona desacetilase de HDACs . Em contraste, a esfingosina desfosforilada promove a apoptose celular e, portanto, é fundamental entender a regulação de SKs por causa de seu papel na determinação do destino celular. Pesquisas anteriores mostram que SKs podem sustentar o crescimento de células cancerosas porque promovem a proliferação celular, e SK1 (um tipo específico de SK) está presente em concentrações mais altas em certos tipos de câncer.

Existem duas quinases presentes nas células de mamíferos, SK1 e SK2. SK1 é mais específico em comparação com SK2 e seus padrões de expressão também diferem. SK1 é expresso em células do pulmão, baço e leucócitos, enquanto SK2 é expresso em células renais e hepáticas. O envolvimento dessas duas quinases na sobrevivência, proliferação, diferenciação e inflamação das células as torna candidatas viáveis para terapias quimioterápicas .

Carboidratos quinases

Para muitos mamíferos, os carboidratos fornecem uma grande parte da necessidade calórica diária . Para coletar energia dos oligossacarídeos , eles devem primeiro ser decompostos em monossacarídeos para que possam entrar no metabolismo . As quinases desempenham um papel importante em quase todas as vias metabólicas. A figura à esquerda mostra a segunda fase da glicólise , que contém duas reações importantes catalisadas por quinases. A ligação do anidrido no 1,3 bisfosfoglicerato é instável e possui alta energia. A 1,3-bisfosfogilcerato quinase requer ADP para realizar sua reação produzindo 3-fosfoglicerato e ATP. Na etapa final da glicólise, a piruvato quinase transfere um grupo fosforil do fosfoenolpiruvato para o ADP, gerando ATP e piruvato.

A hexoquinase é a enzima mais comum que utiliza a glicose quando esta entra pela primeira vez na célula. Ele converte D-glicose em glicose-6-fosfato, transferindo o gama-fosfato de um ATP para a posição C6. Esta é uma etapa importante na glicólise porque retém a glicose dentro da célula devido à carga negativa. Em sua forma desfosforilada, a glicose pode mover-se para frente e para trás através da membrana com muita facilidade. Mutações no gene hexoquinase podem levar a uma deficiência de hexoquinase que pode causar anemia hemolítica não esferocítica.

A fosfofrutocinase , ou PFK, catalisa a conversão de frutose-6-fosfato em frutose-1,6-bifosfato e é um ponto importante na regulação da glicólise. Altos níveis de ATP, H⁺ e citrato inibem PFK. Se os níveis de citrato estiverem altos, significa que a glicólise está funcionando em uma taxa ideal. Altos níveis de AMP estimulam PFK. A doença de Tarui , uma doença de armazenamento de glicogênio que leva à intolerância ao exercício, é causada por uma mutação no gene PFK que reduz sua atividade.

Outras quinases

O sítio ativo da riboflavina quinase ligada aos seus produtos - FMN (à esquerda) e ADP (à direita). Coordenadas do PDB ID: 1N07.

As quinases agem sobre muitas outras moléculas além de proteínas, lipídios e carboidratos. Existem muitos que atuam nos nucleotídeos (DNA e RNA), incluindo aqueles envolvidos na interconversão de nucleotídeos, tais como nucleosídeo-fosfato quinases e nucleosídeo-difosfato quinases . Outras pequenas moléculas que são substratos das quinases incluem creatina , fosfoglicerato , riboflavina , diidroxiacetona , chiquimato e muitos outros.

Riboflavina quinase

A riboflavina quinase catalisa a fosforilação da riboflavina para criar o mononucleotídeo de flavina (FMN). Ele tem um mecanismo de ligação ordenado onde a riboflavina deve se ligar à quinase antes de se ligar à molécula de ATP. Os cátions divalentes ajudam a coordenar o nucleotídeo . O mecanismo geral é mostrado na figura abaixo.

Mecanismo da riboflavina quinase.

A riboflavina quinase desempenha um papel importante nas células, pois o FMN é um cofator importante . FMN também é um precursor do dinucleotídeo flavina adenina (FAD), um cofator redox usado por muitas enzimas, incluindo muitas no metabolismo . Na verdade, existem algumas enzimas que são capazes de realizar tanto a fosforilação da riboflavina ao FMN , quanto a reação do FMN ao FAD . A riboflavina quinase pode ajudar a prevenir o acidente vascular cerebral e pode ser usada como um tratamento no futuro. Também está implicado na infecção, quando estudado em camundongos.

Timidina quinase

A timidina quinase é uma das muitas nucleosídeos quinases responsáveis pela fosforilação de nucleosídeos. Ele fosforila a timidina para criar monofosfato de timidina (dTMP). Essa quinase usa uma molécula de ATP para fornecer o fosfato à timidina, conforme mostrado a seguir. Esta transferência de um fosfato de um nucleotídeo para outro pela timidina quinase, bem como outras nucleosídeos e nucleotídeos quinases, funcionam para ajudar a controlar o nível de cada um dos diferentes nucleotídeos.

Reação geral catalisada pela timidina quinase.

Após a criação da molécula dTMP, outra quinase, timidilato quinase , pode atuar sobre dTMP para criar a forma difosfato , dTDP. A nucleosídeo difosfato quinase catalisa a produção de timidina trifosfato , dTTP, que é usado na síntese de DNA . Por causa disso, a atividade da timidina quinase está intimamente correlacionada com o ciclo celular e é usada como um marcador tumoral em química clínica . Portanto, às vezes pode ser usado para prever o prognóstico do paciente. Os pacientes com mutações na timidina-quinase do gene pode ter um certo tipo de ADN mitocondrial depleção síndrome , uma doença que leva à morte na primeira infância.

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