Proteinkinasen unterscheiden sich in ihrer zellulären und subzellulären Verteilung, Substratspezifität und Regulation
Diese Eigenschaften bestimmen die funktionelle Rolle der mehr als 70 Arten von Proteinkinasen, die in Säugetiergeweben gefunden wurden, von denen bekannt ist, dass die meisten in Neuronen exprimiert werden . Die in Tabelle 24-1 aufgeführten Hauptklassen von Protein-Serin-Threonin-Kinasen im Gehirn werden in diesem Kapitel behandelt. Die Hauptklassen von Protein-Tyrosinkinasen im Gehirn werden in Kapitel 25 diskutiert. Zu den am besten untersuchten Proteinkinasen im Gehirn gehören solche, die durch die zweiten Botenstoffe cAMP, cGMP, Ca2 + und DAG aktiviert werden .
cAMP-abhängige Proteinkinase (Proteinkinase A; PKA) setzt sich aus katalytischen und regulatorischen Untereinheiten zusammen. Das Holoenzym der Kinase, das aus einem Tetramer aus zwei katalytischen (C) und zwei regulatorischen (R) Untereinheiten besteht, ist inaktiv. cAMP aktiviert das Holoenzym durch Bindung an die regulatorischen Untereinheiten, wodurch eine Dissoziation des Holoenzyms in freie regulatorische und freie aktive katalytische Untereinheiten verursacht wird . Drei Isoformen der C-Untereinheit von jeweils etwa 40 kDa und vier Isoformen der R-Untereinheit von jeweils 50 bis 55 kDa wurden aus Säugetiergeweben kloniert. Die drei C-Untereinheiten, die mit Ca, Cß und Cy bezeichnet werden, zeigen eine sehr ähnliche und breite Substratspezifität, das heißt, sie phosphorylieren eine große Anzahl physiologischer Substratproteine und können im Allgemeinen als Isoformen voneinander betrachtet werden. Die vier R-Untereinheiten bestehen aus jeweils zwei Formen von Typ-I- und Typ-II-Proteinen. RIIa und RIIß, nicht aber RIa und RIß, werden, wie nachfolgend beschrieben, autophosphoryliert. Die meisten dieser R- und C-Untereinheiten der Proteinkinase zeigen eine breite zelluläre Verteilung im Gehirn.
Die PKA-Aktivität ist in der gesamten Zelle vorhanden und mit der Plasmamembran sowie den zytoplasmatischen und nuklearen Fraktionen assoziiert. Die Kinase ist innerhalb der Zelle stark kompartimentiert, zum großen Teil über eine Reihe von Ankerproteinen, die als Kinase-Ankerproteine (AKAPs) bezeichnet werden . Es sind verschiedene Formen von AKAPs bekannt, viele von etwa 75 bis 79 kDa. AKAPs binden spezifisch an die RIIa- und RIIß-Untereinheiten der Proteinkinase und binden dadurch diese regulatorischen Untereinheiten und ihre gebundenen katalytischen Untereinheiten an spezifische subzelluläre Stellen, beispielsweise postsynaptische Dichten. Postsynaptische Dichten sind Spezialisierungen in distalen Dendriten, die präsynaptische Nervenenden anhängen und vermutlich einige der Neurotransmitterrezeptoren und andere Proteine enthalten, die für die synaptische Übertragung erforderlich sind. Auf diese Weise halten AKAPs die Proteinkinase in unmittelbarer Nähe der Kaskade von Signaltransduktionsproteinen, die sie phosphoryliert, um die synaptische Übertragung zu regulieren. Die wichtige Rolle, die AKAPs unter physiologischen Bedingungen spielt, wird durch Experimente gezeigt, bei denen gezeigt wurde, dass synthetische Polypeptide, die AKAP—RII-Wechselwirkungen stören, spezifische physiologische Wirkungen von PKA stören .
cGMP-abhängige Proteinkinase (PKG) ist ein Dimer aus zwei identischen Untereinheiten. Jede Untereinheit mit einer Mr von ~ 75.000 enthält eine regulatorische Domäne, die cGMP bindet, und eine katalytische Domäne . Wie beim cAMP-abhängigen Enzym aktiviert cGMP das inaktive Holoenzym durch Bindung an die regulatorische Domäne des Moleküls; Im Gegensatz zum cAMP-abhängigen Enzym geht die Aktivierung des cGMP-abhängigen Holoenzyms jedoch nicht mit einer Dissoziation der Untereinheiten einher. PKG zeigt eine viel eingeschränktere zelluläre Verteilung und Substratspezifität als PKA. Dies spiegelt die geringere Anzahl von Second-Messenger-Aktionen von cGMP bei der Regulation der Zellfunktion wider.
Calcium/Calmodulin-abhängige Proteinkinasen (CaM-Kinasen; CaMKs) sind eine von zwei Hauptklassen von Calcium-abhängigen Kinasen im Nervensystem. Das Gehirn enthält mindestens sechs Haupttypen von CaMK mit jeweils sehr unterschiedlichen Eigenschaften. CaMK II weist wie das cAMP-abhängige Enzym eine breite zelluläre Verteilung und Substratspezifität auf und kann als „multifunktionale Proteinkinase“ angesehen werden, da es wahrscheinlich viele der Second-Messenger-Aktionen von Ca2 + in vielen Arten von Neuronen vermittelt . Analog zu PKG enthält CaMK II eine regulatorische Domäne, die im Ruhezustand an eine katalytische Domäne bindet und diese hemmt; diese Hemmung wird gelindert, wenn Ca2 + / Calmodulin an die regulatorische Domäne bindet. Mehrere Isoformen dieses Enzyms wurden kloniert, einschließlich mehrerer α- und β-Untereinheiten von ~ 50 bzw. 60 kDa. Das Enzym existiert unter physiologischen Bedingungen als große multimere Komplexe identischer oder unterschiedlicher Isoformen.
CaMKs I und IV scheinen auch eine wichtige Rolle bei der Vermittlung vieler Second-Messenger-Aktionen von Ca2 + im Nervensystem zu spielen, obwohl ihre genaue Substratspezifität nur teilweise bekannt ist . Ein interessantes Merkmal von CaMK I und IV ist, dass beide nicht nur durch Ca2 + / Calmodulin-Bindung, sondern auch durch ihre Phosphorylierung durch andere Proteinkinasen, die als CaMK I-Kinase bzw. CaMK IV-Kinase bezeichnet wurden, aktiviert zu werden scheinen . Diese CaMK-Kinasen können auch Ca2+/Calmodulin-abhängige Enzyme sein. Das Enzym CaMK IV Kinase wurde kloniert. Interessanterweise wird diese Kinase selbst durch PKA phosphoryliert und gehemmt, wodurch ein prominenter Mechanismus bereitgestellt wird, durch den die cAMP- und Ca2 + -Kaskaden interagieren, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Die verbleibenden drei Arten von CaMK sind Phosphorylasekinase, Myosin-Leichtkettenkinase und CaMK III. Diese Enzyme scheinen unter physiologischen Bedingungen weniger Substratproteine und in einigen Fällen nur einen Typ zu phosphorylieren, und jedes kann daher relativ weniger Wirkungen von Ca2 + im Nervensystem vermitteln.
Proteinkinase C (PKC) umfasst die andere Hauptklasse der Ca2+-abhängigen Proteinkinasen und wird durch Ca2+ in Verbindung mit DAG und Phosphatidylserin aktiviert. Es wurden mehrere Formen von PKC kloniert, und es ist bekannt, dass das Gehirn mindestens sieben Arten des Enzyms enthält. Die varianten Formen von PKC weisen unterschiedliche zelluläre Verteilungen im Gehirn und unterschiedliche regulatorische Eigenschaften auf. Zum Beispiel unterscheiden sie sich in der relativen Fähigkeit von Ca2 + und DAG, sie zu aktivieren: Einige benötigen sowohl Ca2 + als auch DAG, während andere durch DAG allein aktiviert werden können, anscheinend ohne eine Erhöhung der zellulären Ca2 + -Konzentrationen. Diese Enzyme zeigen jedoch ähnliche Substratspezifitäten und werden daher häufig als Isoformen betrachtet.
PKC existiert unter physiologischen Bedingungen als einzelne Polypeptidketten von etwa 80 kDa. Jedes Polypeptid enthält eine regulatorische Domäne, die im Ruhezustand an eine katalytische Domäne bindet und diese hemmt. Diese Hemmung wird gelindert, wenn Ca2 + und / oder DAG an die regulatorische Domäne bindet. PKC weist eine breite Substratspezifität auf und vermittelt zahlreiche Second-Messenger-Funktionen von Ca2 + in Zielneuronen.
Unter basalen Bedingungen ist PKC überwiegend ein zytoplasmatisches Protein. Bei Aktivierung durch Ca2 + oder DAG assoziiert sich das Enzym mit der Plasmamembran, der Stelle vieler seiner bekannten physiologischen Substrate, einschließlich Rezeptoren und Ionenkanälen. Tatsächlich wird die Translokation von PKC vom Zytoplasma zur Membran seit langem als experimentelles Maß für die Enzymaktivierung verwendet. Eine solche Translokation wurde häufig durch Phorbolesterbindung untersucht; Phorbolester sind tumorfördernde Mittel, die selektiv an PKC binden und diese aktivieren. Kürzlich wurde die molekulare Basis der Translokation von PKC vom Zytoplasma zur Plasmamembran gelöst. Aktiviertes PKC, aber nicht die inaktive Form des Enzyms, bindet mit hoher Affinität an eine Reihe von membranassoziierten Proteinen, die als Rezeptoren für aktivierte C-Kinase (RACK) bezeichnet werden . RACKs funktionieren dabei in Analogie zu den AKAPs für PKA, um diese weit exprimierten Enzyme an subzelluläre Stellen zu lenken oder zu rekrutieren, an denen ihre Aktivität erforderlich ist.
Diverse Aktionen extrazellulärer Signale werden durch Second Messenger-abhängige Proteinkinasen vermittelt. Es wurde gezeigt, dass die intrazelluläre Anwendung durch Mikroinjektion oder Transfektion von PKA, PKG, CaMK II oder PKC in bestimmte Arten von Neuronen spezifische physiologische Reaktionen (Regulation von Ionenkanälen, Neurotransmitterfreisetzung und Gentranskription) auf spezifische erste Botenstoffe (Neurotransmitter oder Nervenimpulse) für diese Neuronen nachahmt . Wo spezifische Inhibitoren der Kinasen verfügbar sind, wurde gezeigt, dass ihre Anwendung die Fähigkeit der Neurotransmitter blockiert, diese Reaktionen auszulösen. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass die Aktivierung dieser Second Messenger-abhängigen Proteinkinasen sowohl ein notwendiger als auch ein ausreichender Schritt in der Abfolge von Ereignissen ist, durch die bestimmte First Messenger einige ihrer physiologischen Wirkungen hervorrufen.
Transgene Methoden haben weitere Beweise für die Bedeutung von Second Messenger-abhängigen Proteinkinasen bei der Regulation der Signaltransduktion im Gehirn geliefert. Das bisher beste Beispiel liefern Mäuse ohne Untereinheiten von CaMK II. Diese Tiere zeigen Defizite in einer Form der synaptischen Plastizität, Langzeitpotenzierung, im Hippocampus sowie abnormales räumliches Lernen, eine von der Hippocampus-Funktion abhängige Lernform (siehe auch Kap. 50).
