proteinkinaser adskiller sig i deres cellulære og subcellulære fordeling, substratspecificitet og regulering
disse egenskaber bestemmer de funktionelle roller, der spilles af de mere end 70 typer proteinkinaser, der er fundet i pattedyrvæv, hvoraf de fleste vides at være udtrykt i neuroner . De vigtigste klasser af protein serin-threoninkinaser i hjernen, der er anført i tabel 24-1, er dækket i dette kapitel. De vigtigste klasser af protein tyrosinkinaser i hjernen diskuteres i kapitel 25. Blandt de bedst studerede proteinkinaser i hjernen er dem, der aktiveres af second messengers cAMP, cGMP, Ca2+ og DAG .
cAMP-afhængig proteinkinase (proteinkinase a; PKA) består af katalytiske og regulatoriske underenheder. Kinasens holoensyme, som består af en tetramer af to katalytiske (C) og to regulatoriske (R) underenheder, er inaktiv. cAMP aktiverer holoensymet ved at binde til de regulatoriske underenheder og derved forårsage dissociation af holoensymet i frie regulatoriske og frie aktive katalytiske underenheder . Tre isoformer af C-underenheden, hver på omkring 40 kDa, og fire isoformer af R-underenheden, hver på 50 Til 55 kDa, er blevet klonet fra pattedyrvæv. De tre C-underenheder, betegnet Ca, C-kur og Cy, udviser en meget lignende og bred substratspecificitet, det vil sige, de phosphorylerer et stort antal fysiologiske substratproteiner, og kan generelt betragtes som isoformer af hinanden. De fire R-underenheder består af to former hver af type I-og type II-proteiner. RIIa og Rii, men ikke RIa og Ri, gennemgår autophosphorylering som beskrevet nedenfor. De fleste af disse r-og C-underenheder af proteinkinasen viser en bred cellulær fordeling i hjernen.
PKA-aktivitet er til stede i hele cellen, forbundet med plasmamembranen og de cytoplasmatiske og nukleare fraktioner. Kinasen er stærkt opdelt i cellen, i vid udstrækning via en række forankringsproteiner, betegnet A kinaseankerproteiner (AKAPs) . Flere former for AKAPs er kendt, mange af omkring 75 til 79 kDa. AKAP ‘ er binder specifikt med RIIa-og Rii-kur-underenhederne i proteinkinasen og binder derved disse regulatoriske underenheder og deres bundne katalytiske underenheder til specifikke subcellulære steder, for eksempel postsynaptiske tætheder. Postsynaptiske tætheder er specialiseringer i distale dendritter, der apposerer presynaptiske nerveterminaler og menes at indeholde nogle af neurotransmitterreceptorerne og andre proteiner, der kræves til synaptisk transmission. På denne måde holder AKAPs proteinkinasen tæt på kaskaden af signaltransduktionsproteiner, som den phosphorylerer for at regulere synaptisk transmission. Den vigtige rolle, som AKAPs spiller under fysiologiske forhold, er indikeret ved eksperimenter, hvor syntetiske polypeptider, der forstyrrer AKAP—RII-interaktioner, har vist sig at forstyrre specifikke fysiologiske virkninger af PKA .
cGMP-afhængig proteinkinase (PKG) er en dimer af to identiske underenheder. Hver underenhed med en Mr på ~75.000 indeholder et regulatorisk domæne, der binder cGMP og et katalytisk domæne . I modsætning til det campafhængige er aktivering af det cGMP-afhængige holoensym ikke ledsaget af dissociation af underenhederne. PKG viser en meget mere begrænset cellulær fordeling og substratspecificitet end PKA. Dette afspejler det mindre antal anden messenger-handlinger af cGMP i reguleringen af cellefunktion.
Calcium / calmodulin-afhængige proteinkinaser (CaM-kinaser; CaMKs) er en af to hovedklasser af calciumafhængige kinaser i nervesystemet. Hjernen indeholder mindst seks hovedtyper af CaMK, hver med meget forskellige egenskaber. CaMK II udviser en bred cellulær fordeling og substratspecificitet og kan betragtes som en “multifunktionel proteinkinase”, idet den sandsynligvis formidler mange af de anden messenger-handlinger af Ca2+ i mange typer neuroner . Analogt med PKG indeholder CaMK II et regulatorisk domæne, som i hviletilstand binder til og hæmmer et katalytisk domæne; denne hæmning lettes, når Ca2+/calmodulin binder til det regulatoriske domæne. Flere isoformer er blevet klonet, herunder flere underenheder af henholdsvis 50 og 60 kDa. Det findes under fysiologiske forhold som store multimeriske komplekser af identiske eller forskellige isoformer.
CaMKs i og IV ser også ud til at spille vigtige roller i formidlingen af mange af de anden messenger-handlinger af Ca2+ i nervesystemet, skønt deres nøjagtige substratspecificitet kun er delvist kendt . Et interessant træk ved CaMK i og IV er, at begge synes at være aktiveret ikke kun ved Ca2+/calmodulin-binding, men også ved deres phosphorylering af andre proteinkinaser, som er blevet betegnet CaMK i kinase og CaMK IV kinase, henholdsvis . Disse camk kinaser kan også være Ca2 + / calmodulin-afhængige. CaMK IV-kinasen er blevet klonet. Interessant nok er denne kinase i sig selv phosphoryleret og hæmmet af PKA, hvorved der tilvejebringes en fremtrædende mekanisme, hvormed cAMP-og Ca2+ – kaskaderne interagerer, som det vil blive dækket mere detaljeret nedenfor.
de resterende tre typer CaMK er phosphorylase kinase, myosin letkædekinase og CaMK III . I nogle tilfælde kun en type under fysiologiske forhold, og hver kan derfor formidle relativt færre handlinger af Ca2+ i nervesystemet.
proteinkinase C (PKC) omfatter den anden hovedklasse af Ca2+-afhængige proteinkinaser og aktiveres af Ca2+ i forbindelse med DAG og phosphatidylserin . Flere former for PKC er blevet klonet, og hjernen er kendt for at indeholde mindst syv arter. Variantformerne af PKC udviser forskellige cellulære fordelinger i hjernen og forskellige regulatoriske egenskaber. For eksempel adskiller de sig i Ca2+ og DAG ‘ s relative evne til at aktivere dem: nogle kræver både Ca2+ og DAG, mens andre kan aktiveres af DAG alene, tilsyneladende uden en stigning i cellulære Ca2+ koncentrationer. Imidlertid viser disse stoffer lignende substratspecifikationer og betragtes som et resultat ofte som isoformer.
PKC eksisterer under fysiologiske forhold som enkeltpolypeptidkæder på omkring 80 kDa. Hvert polypeptid indeholder et regulatorisk domæne, som i hviletilstand binder til og hæmmer et katalytisk domæne. Denne hæmning lettes, når Ca2+ og/eller DAG binder til det regulatoriske domæne. PKC udviser en bred substratspecificitet og formidler adskillige second-messenger-funktioner af Ca2+ i målneuroner.
under basale forhold er PKC overvejende et cytoplasmatisk protein. Ved aktivering af Ca2 + eller DAG associeres med plasmamembranen, stedet for mange af dets kendte fysiologiske substrater, herunder receptorer og ionkanaler. Faktisk er translokationen af PKC fra cytoplasmaet til membranen længe blevet brugt som et eksperimentelt mål for aktivering af ferment. En sådan translokation er ofte blevet analyseret ved phorbolesterbinding; phorbolestere er tumorfremmende midler, der selektivt binder til og aktiverer PKC. For nylig er det molekylære grundlag for translokationen af PKC fra cytoplasmaet til plasmamembranen blevet løst. Aktiveret PKC, men ikke den inaktive form, binder med høj affinitet til en række membranassocierede proteiner, betegnet receptorer for aktiveret C-kinase (RACK) . RACKs fungerer derved analogt med AKAP ‘ erne for PKA til at lede eller rekruttere disse bredt udtrykte enheder til subcellulære steder, hvor deres aktivitet er påkrævet.
forskellige handlinger af ekstracellulære signaler medieres af anden messenger-afhængige proteinkinaser. Den intracellulære anvendelse ved mikroinjektion eller transfektion af PKA, PKG, CaMK II eller PKC i bestemte typer neuroner har vist sig at efterligne specifikke fysiologiske reaktioner (regulering af ionkanaler, neurotransmitterfrigivelse og gentranskription) til specifikke første budbringere (neurotransmittere eller nerveimpulser) for disse neuroner . Hvor specifikke inhibitorer af kinaserne er tilgængelige, har deres anvendelse vist sig at blokere neurotransmitternes evne til at fremkalde disse reaktioner. Samlet set viser disse fund, at aktivering af disse anden messenger-afhængige proteinkinaser både er et nødvendigt og tilstrækkeligt trin i rækkefølgen af begivenheder, hvorved visse første budbringere producerer nogle af deres fysiologiske virkninger.
transgene metoder har givet yderligere bevis for vigtigheden af anden messenger-afhængige proteinkinaser i reguleringen af hjernesignaltransduktion. Det bedste eksempel til dato leveres af mus, der mangler underenheder af CaMK II. Disse dyr viser mangler i en form for synaptisk plasticitet, langvarig potentiering i hippocampus såvel som unormal rumlig læring, en form for læring afhængig af hippocampal funktion (Se også Kap. 50).
