PHK

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序論

ホスホリラーゼキナーゼ（PhK）は、ホルモン性および神経性シグナル伝達を統合してグリコーゲン分解（glycogenolysis）を開始する。PhKは、不活性型グリコーゲンホスホリラーゼb（GPb）のリン酸化を触媒し、活性型グリコーゲンホスホリラーゼaの形成を導く。

構造

PhKは、最大級かつ最も複雑なプロテインキナーゼの一つである。ホルモン刺激に応答して、自己リン酸化、または環状アデノシン一リン酸（cAMP）依存性キナーゼによるこれらサブユニットのリン酸化が生じ、キナーゼ活性化に至る。ADPはβサブユニットに高親和性で結合し、活性を促進する。Ca²⁺は、内在性カルモジュリン（δ）サブユニット（16.7 kDa、148アミノ酸）に結合する神経刺激性イオンに影響し、筋収縮をエネルギー産生に連結する。PhKは、カルシウム非存在下でもδ-カルモジュリンサブユニットがホロ酵素内で強固に会合している点で、他の多くのカルモジュリン制御酵素と異なる。PhKは、キナーゼ構造ドメイン（残基20–276）および調節性のカルモジュリン結合自己阻害構造ドメイン（残基298–396）から構成される。PhKは、キナーゼ活性化フラグメントのリン酸化を必要とせずに活性を示す複数のキナーゼの一つである。

機能

PhKは、グリコーゲン分解制御における主要酵素である。細胞内グリコーゲン貯蔵は、主として絶食時のグルコース恒常性維持、および筋収縮のエネルギー源として利用される。PhKは、異なるシグナル伝達経路からのシグナル—ホルモン性メッセンジャー（エピネフリン）、神経刺激（Ca²⁺）、および代謝シグナル（例：アデノシン二リン酸［ADP］濃度）—を統合し、グリコーゲン貯蔵の迅速な動員を引き起こす。PhKは、不活性型グリコーゲンホスホリラーゼb（GPb）の単一セリン残基Ser14をリン酸化し、活性型ホスホリラーゼa（GPa）へ変換する。活性型ホスホリラーゼは、グリコーゲンのリン酸分解を触媒してグルコース-1-リン酸を遊離する。すべての真核生物プロテインキナーゼは、ヌクレオシド三リン酸ドナーからγリン酸を基質タンパク質中のセリン、スレオニン、またはチロシン側鎖の水酸基へ転移させる共通の触媒コアを有するが、各キナーゼは特定の基質のみを認識し、かつそれぞれ異なる機構により制御される。

活性化

PhKの活性化は複雑であり、複数の制御層を有する。in vitroではpHも追加の調節因子となる。カルシウム存在下で測定した不活性型PhKは、pH 6.8において低活性を示す。pH 8.2では活性が著明に増加するが、依然としてカルシウムの存在を要する。リン酸化または限定的タンパク質加水分解によるPhKの活性化は、pH 6.8における活性増加をもたらす一方、pH 8.2における活性はほとんど変化しない。

機序

PhKの触媒機序の詳細は、現在も検討が継続されている。PhKは高度に複雑であるため、その構造および機序の精緻な解析には大きな困難が伴う。活性部位において、PhKはプロテインキナーゼA（PKA、cAMP依存性キナーゼ）など、いわゆるPループ型プロテインキナーゼと高い相同性を示す。通常、活性化のために触媒部位のセリンまたはチロシン残基のリン酸化を必要とするこれら他のタンパク質とは対照的に、PhKの触媒γサブユニットは、負電荷を有するグルタミン酸残基Glu-182の存在により恒常的に活性化されている。構造学的および生化学的データは、PhKによりリン酸化されるグリコーゲンホスホリラーゼに関する作用機序の一つとして、アデノシン三リン酸（ATP）から基質セリンへのリン酸の直接転移が関与する可能性を示唆している。