Histidinkinase
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| Histidinkinasen | |
|---|---|
| EC-Nummer | 2.7.13.x |
| Kategorie | Kinasen (Transferasen) |
| Substrate | ATP + Protein-L-Histidin |
| Produkte | ADP + Protein-N-Phospho-L-Histidin |
Histidinkinasen (auch Histidinproteinkinasen genannt) sind Enzyme, die sich an einem Histidinrest phosphorylieren. Sie sind Teil einer Signaltransduktionskaskade, das heißt sie registrieren Signale und lösen dann eine für dieses Signal spezifische Reaktion aus. Histidinkinasen kommen sowohl in Prokaryoten (also Archaebakterien und Eubakterien), in Pilzen als auch im Pflanzenreich vor. Nur in Tieren einschließlich dem Menschen, außer in den Mitochondrien, wurden bis heute noch keine Histidinkinasen entdeckt. Sie weisen sehr viele Gemeinsamkeiten mit Serinkinasen auf.
Die Wirkungsweise von Histidinkinasen ist in zwei Systeme unterteilt:
- das Zwei-Komponenten-Histidinkinase-System
- das Phosphorelay-System.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Das Zwei-Komponenten-Histidinkinase-System
Das Zwei-Komponenten-Histidinkinase-System ist einer der einfachsten Signaltransduktionswege. Dieser besteht aus zwei Enzymen, einer Histidinkinase und einem Antwortregulator. Die Histidinkinase besteht immer aus zwei gleichen Einheiten, den Monomeren, und wird somit als Homodimer bezeichnet. Sie kann allgemein in drei Domänen unterteilt werden:
- die Sensordomäne
- die Phosphotransferdomäne und
- die ATP-Bindedomäne.
Der Antwortregulator ist ein Protein, das aus zwei Domänen besteht:
- einer Phosphoakzeptordomäne und
- eine Regulatordomäne.
Bei der Signaltransduktion wird ein Signal durch die Sensordomäne gebunden. Anschließend wird das Adenosintriphosphat (ATP) der ATP-Bindedomäne hydrolysiert, das heißt mit Hilfe von Wasser wird das letzte, das γ-, Phosphat vom Rest des Moleküls gespalten. Es entsteht ein Adenosindiphosphat (ADP)-Molekül, welches nicht mehr von der ATP-Bindedomäne gebunden werden kann. Es wird durch ein frisches ATP ersetzt. Das γ-Phosphat wird auf ein spezielles Histidin in der Phosphotransferdomäne übertragen. Dabei ist zu beachten, dass das Phosphat von dem am jeweils anderen Monomer gebundenen ATP stammt. Demzufolge handelt es sich strikt genommen nicht um eine reine Autophosphorylierung, denn es wird das andere Monomer phosphoryliert. Das so entstandene phosphoryliert Histidin besitzt ein hohes Phosphorylgruppenübertragungspotential, das heißt es kann das Phosphat sehr leicht und ohne erneute ATP-Hydrolyse auf andere Aminosäuren übertragen. So wird dieses Phosphat auf ein spezifisches Aspartat in der Phosphoakzeptordomäne des Antwortregulators transferriert. Die Histidinkinase und der Antwortregulator müssen sich für diese Reaktion in räumlicher Nähe befinden. Durch die Phosphorylierung des Antwortregulators ändert dieser die räumliche Anordnung seiner Aminosäuren. Das wird auch Konformationsänderung genannt. Dadurch wird das aktive Zentrum des Antwortregulators freigelegt, welches nun seine Funktion ausführen kann.
Das Zwei-Komponenten-Histidinkinase-System ist weit im prokaryotischen Reich anzutreffen, seltener bei Eukaryoten. Es ist in sehr viele wichtige Stoffwechselprozesse eingegliedert, wie zum Beispiel die Erkennung von bestimmten chemischen Stoffe bei E. coli, genannt Chemotaxis.
[Bearbeiten] Das Phosphorelay-System
Das Phosphorelay-System stellt eine komplexere Variante des Zwei-Komponenten-Histidinkinase-Systems dar. Es besteht nicht nur aus einer Histidinkinase und einem Antwortregulator, sondern zusätzlich noch aus einem Regulator- und einem Phosphotransferprotein. Dabei werden die Stufen der Phosphorylierung zweimal durchlaufen. Dies bedeutet eine Phosphorylierung eines Histidin der Histidinkinase, gefolgt von der Übertragung auf das Regulatorprotein und der anschließenden Phosphorylierung eines zweiten Histidins, das dieses Mal im Phosphotransferprotein zu finden ist. Diese Phosphorylierung benötigt Energie, die durch die Hydrolyse eines weiteren ATP-Moleküls bereitgestellt wird. Als letztes wird dann das Phosphat auf den Antwortregulator übertragen. Durch die nötige räumliche Nähe für diese Reaktionen sind häufig die Histidinkinase und Regulatorprotein und manchmal auch noch das Phosphotransferprotein evolutionsbedingt miteinander fusioniert (Hybridprotein). Das ist in der Abbildung Teil B zu erkennen. Das Phosphorelay ist häufiger bei Eukaryoten zu finden als bei Prokaryoten. Genau wie das Zwei-Komponenten-Histidinkinase-System ist das Phosphorelay in wichtige Stoffwechselprozesse involviert, wie zum Beispiel der Sporulation von Bacillus subtilis.
[Bearbeiten] Vielfalt in Funktion und Anzahl von Histidinkinasen
Wie schon erwähnt sind Histidinkinasen in sehr viele Stoffwechselprozesse involviert. Hier einige Beispiele:
- bei einigen Pilzen in die Synthese von Antibiotika
- bei Bakterien in den Stickstoffhaushalt und die Chemotaxis (Escherichia coli)
- bei Arabidopsis in die Ethylenrezeption
- bei Hefe (Saccharomyces cerevisiae) in die Osmoregulation
- oder bei Symbiosen in die Knöllchenbildung.
Die Anzahl an Histidinkinasen im Genom verschiedener Organismen ist nicht immer gleich, sie variiert von keiner, wie zum Beispiel in Mycoplasma genitalium, bis zu über 30, wie in Escherichia coli. Über die Korrelation, also den Zusammenhang, der Anzahl an Histidinkinasen und der Lebensweise der Organismen gibt es nur Spekulationen, zum Beispiel wird vermutet, wenn eine Art häufigen Klimaschwankungen, wie bei E. coli der Fall (kann unter anderem im Blutplasma, im Darm, im Abwasserkanal leben bzw. überleben), ausgesetzt ist, ist wahrscheinlich auch die Menge an Histidinkinasen höher als bei Organismen, die in konstanten Milieus leben.
[Bearbeiten] Allgemeiner Aufbau der Histidinkinasen
Proteine werden stets vom N-Terminus zum C-Terminus beschrieben, so auch die Histidinkinasen. Am N-Terminus befindet sich die oben schon erwähnte Sensordomäne. Sie kann aus verschiedenen konservierten Motiven bestehen. Unter konservierten Motiven versteht man die gleiche oder meist auch nur ähnliche Abfolge verschiedener Aminosäuren in der Sequenz mehrerer Proteine. Dabei wird mehr Wert auf die Eigenschaften der Aminosäuren gelegt, wie Hydrophobizität, Ladung und andere. Es gibt unzählig solcher Motive. In der Sensordomäne vieler Histidinkinasen findet man die sogenannten GAF-, PAS-, HAMP-Motive und Transmembrandomänen. Diese Domäne bzw. Motive können unterschiedliche Signale erkennen und sind unter anderem für die Vielfalt der Histidinkinasen verantwortlich.
Die Phosphotransfer- und die ATP-Bindedomäne sind viel stärker konserviert, das heißt, Histidinkinasen aus den unterschiedlichsten Organismen, auch wenn sie evolutiv noch so weit voneinander entfernt sind, besitzen eine sehr große Ähnlichkeit wenn nicht gar identische Aminosäuren in diesem Bereich. So wurden diese Domänen in verschiedene Motive aufgrund ihrer Funktion untergliedert. Die Motive sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Die großen Buchstaben kennzeichnen Aminosäuren nach dem Einbuchstabencode. Das kleine h steht für irgendeine hydrophobe Aminosäure und das x für eine x-beliebige. Die vielen nicht konservierten Aminosäuren bedeuten einfach, dass die speziellen Aminosäuren einen definierten Abstand zu einander besitzen.
| H-Box | F-h-x-x-h-(S/T/A)-H-(D/E)-h-(R/K)-T-P-L-x-x-h | |
| X-Box | viele hydrophobe Aminosäuren | |
| N-Box | (D/N)-x-x-x-h-x-x-h-h-x-N-L-h-x-N-A-h-x-(F/H/Y)-(S/T) | |
| D- und F-Box | h-x-h-x-h-x-D-x-G-x-G-h-x-x-x-x-x-x-x-h-F-x-x-F | |
| G-Box | G-G-x-G-L-G-L-x-h-h-x-x-h-h-x-x-x-x-G-x-h-x-h-x-x-x-x-G-x-x-F |
Die H-Box ist nach der wichtigen Aminosäure Histidin benannt. Dieses ist das spezifische Histidin, welches phosphoryliert wird. Die X-Box ist für die Dimerisation zuständig, das heißt sie bindet das jeweils andere Monomer. Die N-Box bildet sozusagen eine Tasche, durch die das Phosphat vom ATP zum Histidin geleitet wird. Die D-Box bindet das ATP über elektrostatische Wechselwirkungen, während die G-Box eine Art Deckel auf dem ATP bildet.
[Bearbeiten] Literatur
Paper
- Grebe, T. W.; Stock, J. B.: The Histidine Protein Kinase Superfamily. Adv. Micr. Phys. 41 (1999), 139-224
- Hoch, J. A.: Two-component and phosphorelay signal transduction. Curr. Opin. in Microbiol. 3 (2000), 165-170
- Catlett, N. L.; Yoder, O. C.; Turgeon, B. G.: Whole-Genome Analysis of Two-Component Signal Transduction Genes in Fungal Pathogens. Eukar. Cell 2 (2003), 1151-1161
