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蛋白激酶A与蛋白激酶C的研究进展 陈保国 学号：1011075009 生物化学与分子生物学专业摘要：蛋白激酶A（PKA）与蛋白激酶C（PKC）是参与细胞信号转导的两类物质。PKA全酶是四聚体，由两个调节亚基R和两个催化亚基C组成，PKC均为单链多肽，分为3类。PKA参与的信号通路以cAMP为第二信使，而PKC参与的信号通路却以DAG和IP3为信使。这两个信号通路都是由G蛋白耦联受体所介导的，都能调控基因的转录，而在这个过程中，PKA进入细胞核，PKC则与质膜结合。关键字：蛋白激酶A（PKA） 蛋白激酶C（PKC） 第二信使 磷酸化1前言蛋白激酶是一类在胞内信使依赖的、在蛋白质磷酸化过程中起中介和放大作用并帮助完成信号传递过程的酶。蛋白激酶负责将磷酸基团转移到特定底物蛋白上，这类酶用 ATP 或GTP作为磷酸基团的供体，而蛋白质中的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸作为磷酸基团的受体。目前己发现在真核细胞内有400多种蛋白激酶，它们催化多种功能蛋白，如酶、受体、运输蛋白、调节蛋白、核内蛋白等。功能蛋白通过磷酸化和去磷酸化，发生构象互变，导致功能蛋白的活性、性质的改变，从而调节细胞各个生命活动过程。本文简要介绍蛋白激酶大家族中其中的两类：蛋白激酶A与蛋白激酶C。蛋白激酶A(PKA)又叫cAMP依赖性蛋白激酶，是Kerbs等人在继sutherland等人提出cAMP第二信使的概念之后，在研究糖原的代谢过程中发现的是普遍存在于动物体内的一种蛋白激酶。近年来，cAMP作为第二信使的研究较多，有学者已经从分子水平上研究cAMP与人类疾病的关系，如细胞的异常生长和增殖等。蛋白激酶A特别是蛋白激酶A I(PKA I)作为cAMP的主要调节分子，在癌细胞系、原发性肿瘤和增生过度的细胞中呈过度表达。蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)是细胞信号转导途径中的重要递质。PKC家族庞大，各同工酶分布广泛且功能复杂。不同类型同工酶的基因结构、蛋白质结构、组织分布、激活剂及功能存在一定差异。PKC各同工酶具有不同的复杂的分子调节机制，调节体内多种生理、病理过程。其激活剂和抑制剂的研究对肿瘤的治疗极其重要。2 PKA与PKC的分类及其家族根据蛋白激酶底物特异性将真核生物蛋白激酶分为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(PSK)和酪氨酸蛋白激酶(PTK)。PKA与PKC同属于PSK类。PKA全酶是由两个调节亚基(R)和两个催化亚基(C)组成的四聚体，全酶的分子量为150170kD。他们的C亚基是相同的，只有R亚基稍有不同，分为RI和R。表现在部分氨基酸顺序和cAMP结合能力以及自身磷酸化的情况，在组织器官特异性上也有差异。C亚基具有激酶的催化活性，R亚基具有和cAMP的结合部位，具有调节功能。目前发现C亚基有三种亚型C、C和C，RI和R各自又有、两种亚型，即RI、RI、R和R。其中RI与肿瘤的发生发展关系密切。蛋白激酶C( Protein kinase C ，PKC) 是多种不同结构不同生物活性的同工酶组成的丝氨酸 苏氨酸蛋白激酶家族。1977年由Nishizuka发现，分子量为80 KD 90 KD，均为单链多肽，包含两个功能区，即亲水的催化活性中心和疏水的膜结合区。目前在哺乳动物中，已分离纯化出至少12种PKC亚型。根据同工酶的结构及其相应激活剂的不同，分为3类：(1)钙依赖型或经典型PKC(classical protein kinase C。cPKCs)：由，组成，此类发现最早，结构上具有与Ca2+结合的C2保守区，激活时需依赖Ca2+，甘油二酯和磷脂酰丝氨酸或佛波酯(PMA)。(2)钙不敏感型或新型PKC（novel protein kinase C，nPKCs)：由，和组成，无C2区，不依赖Ca2+，但需甘油二酯，磷脂或PMA。(3)非典型PKC(atypical protein kimse C。aPKCs)：由，组成，此类无C2区，其C1保守区，仅有一个半胱氨酸富集区，其活性不依赖Ca2+，DAG及PMA，仅需磷脂类物质激活。此外，近年来又发现一种PKC(人类)和鼠科的同功异质体PKDl,PKCv，归为PKD家族。它不需Ca2+、DAG激活，而由磷脂酰肌醇4，5二磷酸(1ipid phosphatidylinositol(4，5)一bisphosphate，PIP2)激活，但在结构上与前3种类型相似，为PKC超家族第四种类型。虽然PKC同工酶具有高度的同源性，但各同工酶磷酸化的蛋白底物各不相同，且行使不同的细胞功能。3 cAMP-PKA信号通路概述环腺苷酸( cyclic adenylic acid, cAMP )是细胞内最重要的第二信使之一。细胞内 cAMP 浓度的改变影响多种细胞内信号转导途径, 从而调控蛋白活性、基因表达以及细胞功能, 对细胞的代谢、生长、分化和凋亡过程发生影响。细胞内cAMP 浓度主要受腺苷酸环化酶 ( adenylcyclase , AC )活性的调节, 肾上腺素受体、胰高血糖素受体等激活后经Gs蛋白( stmiulate G protein ) 增加 AC 活性, 催化ATP转化成 cAMP, 使细胞内 cAMP浓度增高; 2肾上腺素能受体、 M2胆碱能受体及血管紧张素II受体等激活则与Gi蛋白 ( inhibit G protei n )偶联, 抑制AC活性, 减少cAMP 的生成。cAMP 对细胞的调节作用是通过激活cAMP依赖性蛋白激酶A ( cAMP dependent protein kinase , PKA )系统来实现的。 无活性的PKA是由两个催化亚基 C和两个调节亚基 R 所构成的别构酶,每个调节亚基上有2个cAMP结合位点, cAMP与R亚基结合是以协同方式发生的，即第一个cAMP的结合会降低第二个cAMP的解离常数，因此胞内cAMP水平的很小变化就能导致PKA释放C亚基并快速使激酶活化。通过激素引发的某些抑制物的解离导致酶的迅速活化是各种信号通路的普遍特征。绝大多数哺乳类细胞都表达G蛋白耦联受体。虽然许多激素激活这些受体导致PKA的活化，但不同细胞的应答反应可能只依赖于不同细胞表达的特殊PKA异构体和PKA底物，从而产生不同效应。虽然PKA在不同类型的细胞作用于不同底物，但绝大多数催化亚基总是磷酸化底物蛋白质中相同基序中的某些特定丝氨酸和苏氨酸残基。 PKA 除了对代谢的调节作用外, 还参与cAMP介导的转录水平调控。当 PKA 的催化亚基进入细胞核后,可催化反式作用因子-cAMP效应元件结合蛋白 ( cAMP response element-binding protein , CREB )中特定丝氨酸和 (或 ) 苏氨酸残基磷酸化。磷酸化的 CREB 形成同源二聚体,与DNA 上的cAMP 应答元件 ( cAMP response element ,CRE )结合, 从而激活 CRE调控的基因转录。4 DAGPKC信号通路生理状态下细胞信号如激素、生长因子或神经递质等首先和血浆膜受体结合， 进而激活G蛋白，G 蛋白是一类能与鸟嘌呤核苷酸结合、具有GT P 酶( GT Pase) 活性的蛋白。然后G蛋白激活磷脂酶C，水解磷脂肌醇 4、5二磷脂产生二酯酰甘油( Diacylglycerol， DAG) 和肌醇1、4 、5一三磷酸， 其中DAG是激活 PKC的主要胞内物质，它可直接激活 PKC， 被激活的PKC在 C1位结合DAG， C2 位结合磷脂酰丝氨酸后转位到细胞膜改变血管通透性、合成胞外基质、调节平滑肌收缩、介导细胞增殖和分化、影响细胞周期和细胞凋亡、调节基因表达、控制神经传导等。然而在磷脂酶C( PLC)作用下水解形成的DAG很快被代谢掉，不可能长期维持PKC活性，而细胞增殖或分化行为的变化要求PKC具有长期活性；后发现DAG可由PLC催化质膜上的磷脂酰胆碱断裂产生的DAG用来维持PKC的长期效应；而在高血糖状态下，DAG还可以由糖基化中间产物从头合成形成。此外在高血糖状态下，PKC 还可通过以下途径激活：高血糖、多元醇通路 、氧化应激、 非酶糖基化和血管紧张素等。在许多细胞中，PKC的活化可增强特殊基因的转录。已知至少有两条途径：一是PKC激活一条蛋白激酶的级联反应，导致与DNA特殊序列结合的基因调控蛋白的磷酸化和激活，进而增强特殊基因的转录；二是PKC的活化，导致一种抑制蛋白的磷酸化，从而使细胞质中基因调控蛋白摆脱抑制状态释放出来，进入细胞核，激活特殊基因的转录。 5 蛋白激酶A与蛋白激酶C参与的信号通路的比较cAMP-PKA信号通路与PKC参与的信号通路都是G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路。cAMP-PKA信号通路是以cAMP为第二信使的信号通路，在该信号通路中，G亚基的首要效应酶是腺苷酸环化酶，通过腺苷酸环化酶活性的变化调节靶细胞内第二信使cAMP的水平，cAMP进而激活信号通路中的PKA，PKA使下游靶蛋白磷酸化，从而影响细胞代谢和细胞行为。另外，cAMP-PKA信号通路对细胞基因表达也可产生影响，在该途径中，被活化的PKA转位进入细胞核，使基因调控蛋白磷酸化，磷酸化的基因调控蛋白与靶基因调控序列结合，增强靶基因的表达。这是真核细胞应答激素反应的主要机制之一。PKC参与的信号通路其信号转导是通过效应酶磷脂酶C完成的，是以IP3和DAG双信使为第二信使的信号通路，它们的合成来自膜结合的磷脂酰肌醇，磷脂酰肌醇经过一系列的反应，最后在磷脂酶C的帮助下生成IP3和DAG。IP3刺激细胞内质网释放Ca2+进入细胞质中，DAG激活PKC，活化的PKC进一步使底物磷酸化产生效应。在许多细胞中，PKC的活化也可增强特殊基因的表达，上文已经叙述了它的两条途径。在影响基因的转录和表达的通路中，活化的PKC与质膜结合，而活化的PKA却进入细胞核。参考文献1 Lara PN Jr,Mack PC，Synold T,et alThe cyclin-dependent kinase inhibitor UCN-01 plus cisplatin in advanced solid tumors：A California Cancer Consortuium phase I pharmacokinetic and molecular correlative trialJClin Cancer Res，2005，11：444444502 Kortmansky J,Shah MA，Kaubisch A，et a1Phase I trial of the cyclindependent kinase inhibitor and protein kinase C inhibitor 7hydroxystanrosporine in combination with fluorouracil in patients with advanced solid tumorsJJ Clin Oncol，2005，23：1875-1884 3 Parker PJ，MurrayRust JPKC at a glanceJCell Sci，2004，5(117)：1311324李楚彦，谢文利，等.蛋白激酶C与C-KIPs的研究进展J.2007,16(4):455-457.5蔡冲，吕均良，陈昆松.蛋白激酶的研究J.2002,31（1）：63-67.6高红娜，吴秀荣，曲昌锋.蛋白激酶A研究新进展J.2006,29(5)：351-354.7胡蓉，陈党生.G蛋白及生理功能J.内江师范学院学报.2011,26（6）：32-35.8牛陵川，李长清.cAMP-PKA信号通路与轴突再生J.2007,34（3）：290-292.9王晶晶，陈江华.DAG/PKC信号通路和糖尿病肾病J.2006,26(6):851-853.10IdrisI,GrayS,Donnelly R.Protein kinase C activation:isozymespecific effects on metabolism and cardiovascular complications in diabetes.Diabetologia,2001,44:659-673.11 Hanks S K,Quin A M ,Hunter T. 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