Кіріспе

Фосфат топтарының белгілі бір субстраттарға берілуін катализдейтін фермент. Биохимияда, киназа (/k/aɪ/n/eɪ/s/, /'k/ɪ/n/eɪ/s/, /eɪ/z/) – жоғары энергиялы, фосфат донорлары молекулаларынан белгілі бір субстраттарға фосфат топтарының берілуін катализдейтін фермент. Бұл процесс фосфорлану деп аталады, онда жоғары энергиялы АТФ молекуласы субстрат молекуласына фосфат тобын береді. Нәтижесінде, киназа фосфорланған субстрат пен АДФ түзеді. Ал, фосфорланған субстрат фосфат тобын бергенде және АДФ фосфат тобын алғанда (дефосфорланған субстрат пен жоғары энергиялы АТФ молекуласын өндіретін) дефосфорлану деп аталады. Фосфорлану және дефосфорлану процестері гликолиз кезінде төрт рет жүзеге асады. Киназалар фосфотрансферазалардың кең отбасының бір бөлігі болып табылады. Киназаларды фосфорилазалармен – акцепторға бейорганикалық фосфат топтарын қосатын ферменттермен, немесе фосфатазалармен – фосфат топтарын алып тастайтын ферменттермен шатастырмау керек. Молекуланың фосфорлану күйі, ол ақуыз, липид немесе көмірсулар болсын, оның белсенділігіне, реакциялық қабілетіне және басқа молекулалармен байланысу мүмкіндігіне әсер ете алады. Сондықтан, киназалар метаболизмде, жасушалық сигналдауда, ақуызды реттеуде, жасушалық тасымалдауда, секреция процестерінде және көптеген басқа жасушалық жолдарда маңызды рөл атқарады, бұл оларды физиология үшін өте құнды етеді.

Биохимия және функционалдық маңыздылығы

Киназалар жоғары энергиялы молекуладан (мысалы, АТФ) фосфат тобын өздерінің субстрат молекуласына беруді қамтамасыз етеді, бұл төмендегі суретте көрсетілгендей. Киназалар осы реакцияны тұрақтандыру үшін қажет, себебі фосфоангидридтік байланыста энергияның жоғары деңгейі бар. Киназалар өздерінің белсенді орындарында субстратты және фосфорил тобын дұрыс бағыттайды, бұл реакция жылдамдығын арттырады. Сонымен қатар, олар көбінесе оң зарядталған аминқышқылдарының қалдықтарын пайдаланады, олар теріс зарядталған фосфат топтарымен өзара әрекеттесу арқылы өтпелі күйді электростатикалық тұрақтандырады. Кейбір киназалар фосфат топтарын үйлестіру үшін белсенді орындарында байланысқан металл кофакторларын қолданады. Ақуыз киназаларын каталитикалық белсенді (канондық) немесе псевдокиназалар деп жіктеуге болады, бұл АТФ-ты орналастыратын немесе гидролиздейтін бір немесе бірнеше каталитикалық аминқышқылдарының эволюциялық жоғалуын көрсетеді. Дегенмен, сигнал беру нәтижелері және аурудың маңыздылығы тұрғысынан алғанда, киназалар мен псевдокиназалар адам жасушаларында маңызды сигнал беру модуляторлары болып табылады, бұл киназаларды маңызды дәрілік мақсаттарға айналдырады. Киназалар жасушалардағы күрделі процестерді реттеу және сигналдарды беру үшін кеңінен қолданылады. Молекулаларды фосфорилирлеу олардың белсенділігін күшейтеді немесе тежейді және басқа молекулалармен өзара әрекеттесу қабілетін өзгертеді. Фосфорил топтарын қосу және алып тастау жасушаға басқару құралын ұсынады, өйткені әртүрлі киназалар әртүрлі жағдайларға немесе сигналдарға жауап бере алады. Киназалардағы функцияны жоғалтуға немесе күшейтуге әкелетін мутациялар адамдарда қатерлі ісіктер мен ауруларды, соның ішінде лейкемияның және нейробластомалардың кейбір түрлерін, глиобластоманы, спиноцеребеллалық атаксияны (14 түрі), агаммаглобулинемияның түрлерін және тағы да көптеген түрлерін тудыруы мүмкін.

Тарих және сыныптау

АТФ-ны пайдалана отырып, басқа белоктың фосфорилирленуін катализдейтіні анықталған алғашқы белок 1954 жылы Юджин П. Кеннеди байқады, ол кезде ол казеиннің фосфорилирленуін катализдейтін бауыр ферментін сипаттады. 1956 жылы Эдмонд Х. Фишер мен Эдвин Г. Кребс фосфорилаза a мен фосфорилаза b арасындағы өзара айналудың фосфорилирлеу және дефосфорилирлеу арқылы жүзеге асырылатынын анықтады. Фосфорил тобын фосфорилаза b-ге беру арқылы оны фосфорилаза a-ға айналдыратын киназа фосфорилаза киназасы деп аталды. Бірнеше жылдан кейін, киназа каскадының алғашқы мысалы анықталды, онда Ақуыз Киназасы А (PKA) фосфорилаза киназасын фосфорилейді. Сонымен қатар, PKA гликоген синтезасын тежейтіні анықталды, бұл тежеуге әкелетін фосфорилирлеу оқиғасының алғашқы мысалы болды. 1969 жылы Лестер Рид пируват дегидрогеназасының фосфорилирлеу арқылы инактивацияланатынын анықтады, және бұл жаңалық фосфорилирлеу гликоген метаболизмінен басқа метаболикалық жолдарды реттеу құралы ретінде қызмет ете алатынына алғашқы меңзеу болды. Сол жылы Том Ланган PKA гистон H1-ді фосфорилирлейтінін анықтады, бұл фосфорилирлеу ферментсіз белоктарды реттеуге қабілетті екенін көрсетті. 1970 жылдар кальмодулинге тәуелді протеинкиназалардың табылуын және белоктардың бірнеше аминқышқылдық қалдықтарда фосфорилирленуі мүмкін екендігін анықтауды қамтиды. 1990 жылдарды «белок киназаларының каскадтары онжылдығы» деп сипаттауға болады. Осы кезеңде MAPK/ERK жолы, JAK киназалары (белок тирозин киназаларының отбасы) және PIP3-ке тәуелді киназа каскады ашылды. Киназалар олар әсер ететін субстраттарына сәйкес кең топтарға бөлінеді: белок киназалары, липид киназалары, көмірсулар киназалары. Киназалар бактериялардан саңырауқұлақтарға, құрттардан сүтқоректілерге дейін әртүрлі организмдерде кездеседі. Адамда бес жүзден астам түрлі киназалар анықталды.

Белок кинезалары

Белсенді киназалар белоктарға олардың серин, треонин, тирозин немесе гистидин қалдықтарына фосфорилирлеу арқылы әсер етеді. Фосфорилирлеу ақуыздың функциясын көптеген жолдармен өзгерте алады. Ол ақуыздың белсенділігін арттыра немесе азайта алады, оны тұрақтандырады немесе жоюға белгілейді, оны белгілі бір жасушалық бөлімде орналастырады және басқа ақуыздармен өзара әрекеттесуін бастауы немесе бұза алады. Белсенді киназалар барлық киназалардың басым бөлігін құрайды және олар кеңінен зерттелген. Бұл киназалар фосфатазалармен бірге белок пен ферменттерді реттеуде, сондай-ақ жасушадағы сигнал беруде маңызды рөл атқарады. Жасушаның биологиялық реттеуге қол жеткізуінің әртүрлі жолдары туралы ойлағанда, түсініспеушіліктер туындауы мүмкін. Жасушалық ақуыздарға болатын коваленттік өзгерістердің көптеген мысалдары бар; алайда фосфорилирлеу – кері айналатын коваленттік өзгерістердің саналы түрде таңдалған бірі. Осыған байланысты, ақуыздарды фосфорилирлеудің реттеуші рөлі анықталды. Ақуыз функциясын реттеу мүмкіндігі зор, себебі аллостерикалық бақылаумен қамтамасыз етілген реттеуден өзге, белокты ковалентті түрде өзгертудің көптеген жолдары бар. Эдвин Кребс Хопкинс мемориалдық лекциясында аллостерикалық бақылау жасуша ішінде туындайтын сигналдарға жауап беру үшін дамыды, ал фосфорилирлеу – жасушадан тыс сигналдарға жауап беру үшін дамыды деп мәлімдеді. Бұл идеяға сәйкес, протеиндердің фосфорилирленуі эукариоттық жасушаларда прокариоттық жасушаларға қарағанда жиірек кездеседі, өйткені күрделі жасуша түрі кең ауқымды сигналдарға жауап беру үшін дамыды. Әртүрлі CDK және циклиндердің комбинациялары жасуша циклының әртүрлі кезеңдерін анықтайды. Сонымен қатар, CDK-лардың фосфорилирлеу күйі олардың белсенділігі үшін де маңызды, өйткені олар басқа киназалар (мысалы, CDK-ны белсендіретін киназа) және фосфатазалар (мысалы, Cdc25) арқылы реттеледі. CDK белсенді болғаннан кейін, олар басқа ақуыздарды фосфорилирлейді, олардың белсенділігін өзгертеді, бұл жасуша циклының келесі кезеңіне қажетті оқиғаларға әкеледі. Олар жасуша циклын бақылаудағы қызметімен танымал болғанымен, CDK-лардың транскрипцияда, метаболизмде және басқа жасушалық процестерде де рөлі бар. Жасушаның бөлінуін бақылаудағы маңызды рөліне байланысты, CDK-ларда мутациялар жиі қатерлі жасушаларда табылады. Бұл мутациялар жасушалардың бақыланбай өсуіне әкеледі, олар жасуша циклының барлық кезеңін қайта-қайта өтеді. CDK мутациялары лимфомаларда, сүт безі қатерлі ісігінде, бүйрек қатерлі ісігінде және өкпе қатерлі ісігінде кездеседі. Сондықтан CDK ингибиторлары кейбір қатерлі ісіктерді емдеу үшін жасалған. MAPK жолының канцерогендік әлеуеті оны клиникалық тұрғыдан маңызды етеді. Ол бақыланбай өсуге және одан кейін ісік пайда болуына әкелетін жасушалық процестерге қатысады. Бұл жолдағы мутациялар жасушалық дифференциацияға, көбеюге, тірі қалуға және апоптозға қатысты реттеуші әсерлерін өзгертеді, олардың барлығы қатерлі ісіктердің әртүрлі түрлеріне қатысты. PI3K сияқты осы киназалардың мутациялары қатерлі ісікке немесе инсулинге қарсы тұрушылыққа әкелуі мүмкін. Киназ ферменттері инозитол гидроксил тобын нуклеофильді ететін реакция жылдамдығын арттырады, көбінесе аминқышқылының бүйір тізбегін жалпы негіз ретінде пайдаланып, гидроксилді депротондылайды, төмендегі механизмде көрсетілгендей.

Сфингозинкиназалар

Сфингозинкиназа (SK) – липидкиназа, сфингозиннің сфингозин 1-фосфатына (S1P) түрленуін катализдейді. Сфинголипидтер – кең таралған мембраналық липидтер. Белсендірілген кезде сфингозинкиназа цитозолдан плазмалық мембранаға жылжып, онда γ-фосфатты (соңғы немесе терминалды фосфатты) АТФ немесе ГТФ-тан сфингозинге ауыстырады. S1P рецепторы – GPCR рецепторы, сондықтан S1P G-белсенді протеин сигналдауын реттеуге қабілетті. Нәтижесіндегі сигнал ERK, Rho GTPase, Rac GTPase, PLC және AKT/PI3K сияқты ішкі жасушалық эффекттерді белсендіре алады. Бұдан бөлек, ол жасуша ішіндегі мақсатты молекулаларға да әсер етеді. S1P HDAC-тың гистон деацетилаза активін тікелей тежейтіні көрсетілген. Керісінше, дефосфорилденген сфингозин жасуша апоптозын күшейтеді, сондықтан жасуша тағдырын анықтаудағы рөліне байланысты SK реттелуін түсіну маңызды. Бұрынғы зерттеулер SK жасушаларының қатерлі ісік жасушаларының өсуін қолдайтынын көрсетті, себебі олар жасуша көбеюіне ықпал етеді, ал SK1 (SK-ның нақты бір түрі) кейбір қатерлі ісік түрлерінде жоғары концентрацияда кездеседі. Сүтқоректілер жасушаларында екі киназа бар: SK1 және SK2. SK1, SK2-ге қарағанда арнайырақ, сонымен қатар олардың экспрессия үлгілері де әртүрлі. SK1 өкпе, көкбауыр және лейкоциттер жасушаларында, ал SK2 бүйрек және бауыр жасушаларында экспрессияланады. Бұл екі киназаның жасушаның тірі қалуына, көбеюіне, дифференциациялануына және қабыну процесіне қатысы бар, оларды химиотерапиялық емдеуге перспективті кандидаттер етеді.

Көмірсутек кинезалары

Көптеген сүтқоректілер үшін көмірсулар күндізгі калориялық қажеттіліктің үлкен бөлігін қамтамасыз етеді. Олигосахаридтерден энергия алу үшін олар алдымен моносахаридтерге ыдырауы керек, содан кейін ғана метаболизмге енуі мүмкін. Киназалар барлық метаболикалық жолдардың дерлік барлығында маңызды рөл атқарады. Сол жақтағы сурет гликолиздің екінші фазасын көрсетеді, онда киназалар катализдейтін екі маңызды реакция бар. 1,3-бисфосфоглицераттағы ангидридтік байланыс тұрақсыз және жоғары энергияға ие. 1,3-бисфосфоглицерат киназа реакцияны жүзеге асыру үшін АДФ қажет етеді, нәтижесінде 3-фосфоглицерат және АТФ түзіледі. Гликолиздің соңғы қадамында пируват киназа фосфорил тобын фосфоенолпируваттан АДФ-қа ауыстырып, АТФ мен пируватты жасайды. Гексокиназа – глюкоза жасушаға алғаш кіргенде қолданылатын ең көп таралған фермент. Ол D-глюкозаны глюкоза-6-фосфатқа АТФ-тың гамма-фосфатын C6 позициясына ауыстыру арқылы түрлендіреді. Бұл гликолизде маңызды қадам, себебі ол теріс зарядтың арқасында глюкозаны жасуша ішінде ұстап тұрады. Дефосфорилденген күйде глюкоза мембрана арқылы оңай қозғала береді. Гексокиназа геніндегі мутациялар гексокиназа жетіспеушілігіне алып келуі мүмкін, бұл несфероциттік гемолитикалық анемияға себеп болуы мүмкін. Фосфофруктокиназа немесе PFK фруктоза-6-фосфатты фруктоза-1,6-бисфосфатқа айналдыруды катализдейді және гликолизді реттеуде маңызды нүкте болып табылады. АТФ, H+ және цитраттың жоғары деңгейі PFK-ны тежейді. Егер цитрат деңгейі жоғары болса, онда гликолиз оңтайлы жылдамдықпен жұмыс істеп жатқанын көрсетеді. АМФ-тың жоғары деңгейі PFK-ны стимуляциялайды. Таруи ауруы – гликогенді сақтау ауруы, ол физикалық жаттығуға төзбеушілікке әкеледі, себебі PFK геніндегі мутация оның активтілігін төмендетеді.

Басқа киназалар

Киназалар ақуыздардан, липидтер мен көмірсулардан басқа да көптеген молекулаларға әсер етеді. Нуклеотидтерге (ДНК және РНК) әсер ететіндері де көп, оның ішінде нуклеотидтердің бір-біріне өзгеруіне қатысатындары, мысалы нуклеозид фосфат киназалары және нуклеозид дифосфат киназалары бар. Киназалардың субстраты болып табылатын басқа да шағын молекулаларға креатин, фосфоглицерат, рибофлавин, дигидроксиацетон, шикимат және тағы да басқалары жатады.

Рибофлавинкиназа

Рибофлавин киназасы рибофлавиннің фосфорилирленуін катализдейді, нәтижесінде флавин мононуклеотиді (ФМН) түзіледі. Оның реттелген байланысу механизмі бар, онда рибофлавин АТФ молекуласына байланысу алдында киназаға байланысуы тиіс. Дивалентті катиондар нуклеотидті координациялауға көмектеседі. Рибофлавин киназасы инсульттің алдын алуға көмектесуі мүмкін, және болашақта ем ретінде қолданылуы ықтимал. Тәжірибелер көрсеткендей, ол егешқұстарда инфекцияның дамуына қатысты.

Тимидинкиназа

Тимидинкиназа – нуклеозидтерді фосфорлануға жауапты көптеген нуклеозид киназаларының бірі. Ол тимидинді фосфорлап, тимидин монофосфатын (dTMP) түзетіп шығарады. Бұл киназа төменде көрсетілгендей тимидинге фосфат жеткізу үшін АТФ молекуласын пайдаланады. Тимидинкиназа, сондай-ақ басқа нуклеозидтік және нуклеотидтік киназалар арқылы бір нуклеотидтен екіншісіне фосфатты беру, әртүрлі нуклеотидтердің деңгейін реттеуге көмектеседі. dTMP молекуласы пайда болғаннан кейін, тағы бір киназа – тимидилат киназа, dTMP-ге әсер етіп, дифосфат түрін, dTDP-ні жасайды. Нуклеозид дифосфат киназасы ДНК синтезінде қолданылатын тимидин трифосфатының (dTTP) өндірісін катализдейді. Осы себепті тимидинкиназаның активтілігі жасуша циклымен тығыз байланысты және клиникалық химияда ісік маркері ретінде қолданылады. Сондықтан, кейде пациенттің жағдайын болжау үшін оны қолдануға болады. Тимидинкиназа генінде мутациясы бар пациенттерде митохондриялық ДНК-ның азаю синдромының белгілі бір түрі болуы мүмкін, бұл ауру балалық шақта өлімге алып келеді.