Protein kinázy se liší v jejich celulární a subcelulární distribuce, substrátová specificita a nařízení
Tyto vlastnosti určují funkční role, kterou hraje více než 70 typy protein kináz, které byly nalezeny v savčích tkání, z nichž většina je známo, že být vyjádřeny v neuronech . Hlavní třídy proteinových serin-threoninkináz v mozku, uvedené v tabulce 24-1, jsou zahrnuty v této kapitole. Hlavní třídy proteinových tyrosinkináz v mozku jsou popsány v kapitole 25. Mezi nejlépe studované proteinkinázy v mozku patří ty, které aktivují druhý poslové cAMP, cGMP, Ca2+ a DAG .
cAMP-dependentní proteinkináza (protein kináza a; PKA) se skládá z katalytických a regulačních podjednotek. Holoenzym kinázy, který se skládá z tetrameru dvou katalytických (C) a dvou regulačních (R) podjednotek, je neaktivní. cAMP aktivuje holoenzym vazbou na regulační podjednotky, čímž způsobuje disociaci holoenzymu na volné regulační a volné aktivní katalytické podjednotky . Tři izoformy podjednotky C, každá z asi 40 kDa, a čtyři izoformy podjednotky R, každá z 50 na 55 kDa, byly klonovány ze savčích tkání. Tři C podjednotek, označených Ca, Cß a Cy, vykazují velmi podobné a široké substrátové specifičnosti, to znamená, že fosforylují velké množství fyziologického substrátu proteiny, a mohou být obecně považovány za izoforem jeden druhého. Čtyři podjednotky R se skládají ze dvou forem proteinů typu I a typu II. RIIa a RIIß, ale ne RIa a RIß, podléhají autofosforylaci, jak je popsáno níže. Většina z těchto podjednotek R A C proteinkinázy vykazuje širokou buněčnou distribuci v mozku.
aktivita PKA je přítomna v celé buňce, spojená s plazmatickou membránou a cytoplazmatickými a jadernými frakcemi. Kináza je velmi citlivá v buňce, z velké části prostřednictvím řady kotvících proteinů, tzv. kinázy kotevní proteiny (AKAPs) . Je známo několik forem AKAPs, mnoho z asi 75 na 79 kDa. AKAPs vázat konkrétně s RIIa a RIIß podjednotky protein kinázy a tím tether těchto regulačních podjednotek a jejich vázané katalytické podjednotky specifické subcelulární stránky, například, postsynaptické hustotě. Postsynaptické hustoty jsou specializace na distální dendrity, které zahrnují presynaptické nervové terminály a předpokládá se, že obsahují některé receptory neurotransmiterů a další proteiny potřebné pro synaptický přenos. Tímto způsobem akaps udržuje proteinkinázu v těsné blízkosti kaskády proteinů transdukce signálu, které fosforyluje, aby reguloval synaptický přenos. Důležitou roli hraje AKAPs za fyziologických podmínek je indikován pomocí experimentů, v nichž syntetické polypeptidy, které narušují AKAP—RII interakce bylo prokázáno, že narušují specifické fyziologické účinky PKA .
cGMP-dependentní proteinkináza (PKG) je dimer dvou identických podjednotek. Každá podjednotka s Mr ~75 000 obsahuje regulační doménu, která váže cGMP, a katalytickou doménu . Stejně jako u cAMP-dependentní enzym cGMP aktivuje neaktivní holoenzyme vazbou na regulační domény molekuly; nicméně, na rozdíl od cAMP-dependentní enzym, aktivace cGMP-dependentní holoenzyme není doprovázen disociaci podjednotek. PKG vykazuje mnohem omezenější buněčnou distribuci a specificitu substrátu než PKA. To odráží menší počet akcí cGMP druhého posla v regulaci buněčné funkce.
kalcium / kalmodulin-dependentní proteinkinázy (CaM kinázy; CaMKs) jsou jednou ze dvou hlavních tříd kináz závislých na vápníku v nervovém systému. Mozek obsahuje nejméně šest hlavních typů CaMK, každý s velmi odlišnými vlastnostmi. CaMK II, stejně jako cAMP-dependentní enzym, vykazuje široké buněčné distribuce a substrátová specificita a může být považován za „multifunkční protein kinázy“ v tom, že to pravděpodobně zprostředkovává mnoho second-messenger akce Ca2+ v mnoha typů neuronů . Analogicky k PKG obsahuje CaMK II regulační doménu, která se v klidovém stavu váže na katalytickou doménu a inhibuje ji; tato inhibice je zmírněna, když se Ca2+/kalmodulin váže na regulační doménu. Bylo klonováno několik izoform tohoto enzymu, včetně více podjednotek α a β ~50 a 60 kDa. Enzym existuje za fyziologických podmínek jako velké multimerní komplexy identických nebo odlišných izoforem.
zdá se, že CaMKs I a IV také hrají důležitou roli při zprostředkování mnoha akcí Ca2+ druhého posla v nervovém systému, i když jejich přesná substrátová specificita zůstává známa pouze částečně . Jeden zajímavý rys CaMK i a IV je, že oba se zdají být aktivován nejen Ca2+/calmodulin-binding, ale také po jejich fosforylaci tím, že další protein kináz, které označují CaMK jsem kinázy a CaMK IV kinázy, resp. Tyto CaMK kinázy mohou být také enzymy závislé na Ca2+ / kalmodulinu. Enzym kinázy CaMK IV byl klonován. Zajímavé je, že tato kináza je sám fosforylován a inhibována PKA, tím, že poskytuje významnou mechanismus, kterým cAMP a Ca2+ kaskád komunikovat, jak se bude vztahovat podrobněji níže.
zbývající tři typy CaMK jsou fosforylázová kináza, kináza myosinového lehkého řetězce a CaMK III . Tyto enzymy se objeví na fosforylovat méně substrát bílkoviny, a v některých případech jen jeden typ, za fyziologických podmínek, a každý proto může zprostředkovat relativně méně akce Ca2+ do nervového systému.
Proteinkináza C (PKC) zahrnuje další hlavní třídu Ca2 + – dependentních proteinkináz a je aktivována Ca2+ ve spojení s DAG a fosfatidylserinem . Bylo klonováno více forem PKC a je známo, že mozek obsahuje nejméně sedm druhů enzymu. Variantní formy PKC vykazují různé buněčné distribuce v mozku a různé regulační vlastnosti. Například se liší relativní schopností Ca2+ a DAG je aktivovat: některé vyžadují jak Ca2+, tak DAG, zatímco jiné mohou být aktivovány samotným DAG, zřejmě bez zvýšení buněčných koncentrací Ca2+. Tyto enzymy však vykazují podobné specifika substrátu a v důsledku toho jsou často považovány za izoformy.
PKC existuje za fyziologických podmínek jako jednotlivé polypeptidové řetězce asi 80 kDa. Každý polypeptid obsahuje regulační doménu, která se v klidovém stavu váže na katalytickou doménu a inhibuje ji. Tato inhibice je zmírněna, když se Ca2+ a/nebo DAG váže na regulační doménu. PKC vykazuje širokou substrátovou specificitu a zprostředkovává četné funkce Ca2+ druhého posla v cílových neuronech.
v bazálních podmínkách je PKC převážně cytoplazmatický protein. Po aktivaci pomocí Ca2+ nebo DAG se enzym asociuje s plazmatickou membránou, místem mnoha známých fyziologických substrátů, včetně receptorů a iontových kanálů. Ve skutečnosti je translokace PKC z cytoplazmy na membránu již dlouho používána jako experimentální měřítko aktivace enzymu. Taková translokace byla často testována vazbou Ester forbolu; estery forbolu jsou činidla podporující nádor, která se selektivně vážou a aktivují PKC. Nedávno byl vyřešen Molekulární základ translokace PKC z cytoplazmy na plazmatickou membránu. Aktivovaný PKC, ale neaktivní forma enzymu, se váže s vysokou afinitou na řadu proteinů asociovaných s membránou, nazývaných receptory pro aktivovanou C kinázu (RACK). Stojany tak fungují analogicky s AKAPs pro PKA k nasměrování nebo náboru těchto široce exprimovaných enzymů do subcelulárních míst, kde je vyžadována jejich aktivita.
různé akce extracelulárních signálů jsou zprostředkovány druhými protein kinázami závislými na Messengeru. Intracelulární žádost nebo mikroinjekce transfekce PKA, PKG, CaMK II nebo PKC do jednotlivých typů neuronů bylo prokázáno, že napodobují určité fyziologické reakce (regulace iontových kanálů, uvolňování neurotransmiterů a genovou transkripci) specifických první posly (neurotransmitery nebo nervové impulsy) pro ty neurony . Pokud jsou k dispozici specifické inhibitory kináz, bylo prokázáno, že jejich aplikace blokuje schopnost neurotransmiterů vyvolat tyto odpovědi. Společně tyto nálezy ukazují, že aktivace těchto druhého posla-dependentní protein kinázy je nezbytná a dostačující krok v sekvenci událostí, podle kterých některé první poslové produkovat některé jejich fyziologické účinky.
Transgenní metodiky poskytly další důkazy pro význam druhý posel-dependentních protein kináz v regulaci mozku signální transdukce. Nejlepším příkladem jsou myši, které postrádají podjednotky CaMK II. Tato zvířata se ukazují nedostatky v podobě synaptické plasticity, dlouhodobé potenciace v hipokampu, stejně jako abnormální prostorové učení, forma vzdělávání závislá na hipokampální funkce (viz také Kap. 50).
