Las proteínas quinasas difieren en su distribución celular y subcelular, especificidad de sustrato y regulación
Estas propiedades determinan el papel funcional desempeñado por los más de 70 tipos de proteínas quinasas que se han encontrado en tejidos de mamíferos, la mayoría de las cuales se sabe que se expresan en neuronas . Las principales clases de proteínas serina-treonina quinasas en el cerebro, enumeradas en la Tabla 24-1, se tratan en este capítulo. Las principales clases de proteínas tirosina quinasas en el cerebro se discuten en el Capítulo 25. Entre las proteínas quinasas mejor estudiadas en el cerebro se encuentran las activadas por los segundos mensajeros cAMP, cGMP, Ca2+ y DAG .
La proteína quinasa dependiente de cAMP (proteína quinasa A; PKA) se compone de subunidades catalíticas y reguladoras. La holoenzima de la quinasa, que consiste en un tetrámero de dos subunidades catalíticas (C) y dos reguladoras (R), es inactiva. cAMP activa la holoenzima al unirse a las subunidades reguladoras, causando así la disociación de la holoenzima en subunidades catalíticas libres y activas libres . Tres isoformas de la subunidad C, cada una de aproximadamente 40 kDa, y cuatro isoformas de la subunidad R, cada una de 50 a 55 kDa, se han clonado a partir de tejidos de mamíferos. Las tres subunidades C, designadas Ca, Cß y Cy, exhiben una especificidad de sustrato muy similar y amplia, es decir, fosforilan un gran número de proteínas de sustrato fisiológico, y generalmente se pueden considerar isoformas entre sí. Las cuatro subunidades R consisten en dos formas de proteínas tipo I y tipo II cada una. RIIa y RIIß, pero no RIa y RIß, se someten a autofosforilación, como se describe a continuación. La mayoría de estas subunidades R y C de la proteína quinasa muestran una amplia distribución celular en el cerebro.
La actividad PKA está presente en toda la célula, asociada con la membrana plasmática y las fracciones citoplasmáticas y nucleares. La quinasa está altamente compartimentada dentro de la célula, en gran parte a través de una serie de proteínas de anclaje, denominadas proteínas de anclaje de quinasa (AKAPs) . Se conocen varias formas de AKAP, muchas de aproximadamente 75 a 79 kDa. Los AKAP se unen específicamente a las subunidades RIIa y RIIß de la proteína quinasa y, por lo tanto, atar estas subunidades reguladoras y sus subunidades catalíticas unidas a sitios subcelulares específicos, por ejemplo, densidades postsinápticas. Las densidades postsinápticas son especializaciones en dendritas distales que appose terminales nerviosas presinápticas y se cree que contienen algunos de los receptores neurotransmisores y otras proteínas necesarias para la transmisión sináptica. De esta manera, los AKAP mantienen a la proteína quinasa muy cerca de la cascada de proteínas de transducción de señales que fosforila para regular la transmisión sináptica. El importante papel desempeñado por los AKAP en condiciones fisiológicas está indicado por experimentos en los que se ha demostrado que los polipéptidos sintéticos que interrumpen las interacciones AKAP—RII interrumpen los efectos fisiológicos específicos de la PKA .
La proteína quinasa dependiente de GMPc (PKG) es un dímero de dos subunidades idénticas. Cada subunidad, con un Mr de ~75,000, contiene un dominio regulador, que une cGMP, y un dominio catalítico . Al igual que con la enzima dependiente de cAMP, el GMPc activa la holoenzima inactiva al unirse al dominio regulador de la molécula; sin embargo, a diferencia de la enzima dependiente de cAMP, la activación de la holoenzima dependiente de GMPc no está acompañada de disociación de las subunidades. La PKG muestra una distribución celular y especificidad de sustrato mucho más limitadas que la PKA. Esto refleja el menor número de acciones de segundo mensajero de cGMP en la regulación de la función celular.
Proteínas quinasas dependientes de calcio/calmodulina (cinasas CaM; CaMKs) son una de las dos clases principales de quinasas dependientes del calcio en el sistema nervioso. El cerebro contiene al menos seis tipos principales de CaMK, cada uno con propiedades muy diferentes. CaMK II, al igual que la enzima dependiente de cAMP, exhibe una amplia distribución celular y especificidad de sustrato y puede considerarse una «proteína quinasa multifuncional» en el sentido de que probablemente media muchas de las acciones de segundo mensajero de Ca2+ en muchos tipos de neuronas . Por analogía con PKG, CaMK II contiene un dominio regulador que, en estado de reposo, se une e inhibe un dominio catalítico; esta inhibición se alivia cuando la Ca2+/calmodulina se une al dominio regulador. Varias isoformas de esta enzima han sido clonadas, incluyendo múltiples subunidades α y β de ~50 y 60 kDa, respectivamente. La enzima existe en condiciones fisiológicas como grandes complejos multiméricos de isoformas idénticas o distintas.
Los CaMKs I y IV también parecen desempeñar un papel importante en la mediación de muchas de las acciones de segundo mensajero de Ca2+ en el sistema nervioso, aunque su especificidad de sustrato precisa solo se conoce parcialmente . Una característica interesante de CaMK I y IV es que ambos parecen ser activados no solo por la unión a Ca2 + /calmodulina, sino también por su fosforilación por otras proteínas quinasas, que se han denominado CaMK I quinasa y CaMK IV quinasa, respectivamente . Estas cinasas CaMK también pueden ser enzimas dependientes de Ca2+ / calmodulina. La enzima quinasa CaMK IV ha sido clonada. Curiosamente, esta quinasa en sí misma es fosforilada e inhibida por la PKA, proporcionando así un mecanismo prominente por el cual interactúan las cascadas cAMP y Ca2+, como se explicará en mayor detalle a continuación.
Los tres tipos restantes de CaMK son la fosforilasa quinasa, la miosina cinasa de cadena ligera y CaMK III . Estas enzimas parecen fosforilar menos proteínas de sustrato, y en algunos casos solo un tipo, en condiciones fisiológicas, y por lo tanto cada una puede mediar relativamente menos acciones de Ca2+ en el sistema nervioso.
La proteína quinasa C (PKC) comprende la otra clase principal de proteínas quinasas dependientes de Ca2+y es activada por Ca2 + junto con DAG y fosfatidilserina . Se han clonado múltiples formas de PKC, y se sabe que el cerebro contiene al menos siete especies de la enzima. Las formas variantes de PKC exhiben diferentes distribuciones celulares en el cerebro y diferentes propiedades reguladoras. Por ejemplo, difieren en la capacidad relativa de Ca2+ y DAG para activarlos: algunos requieren Ca2+ y DAG, mientras que otros pueden activarse solo con DAG, aparentemente sin un aumento en las concentraciones celulares de Ca2+. Sin embargo, estas enzimas muestran especificidades de sustrato similares y, como resultado, a menudo se consideran isoformas.
El PKC existe en condiciones fisiológicas como cadenas únicas de polipéptidos de aproximadamente 80 kDa. Cada polipéptido contiene un dominio regulador que, en estado de reposo, se une e inhibe un dominio catalítico. Esta inhibición se alivia cuando Ca2+ y/o DAG se unen al dominio regulador. La PKC exhibe una amplia especificidad de sustrato y media numerosas funciones de segundo mensajero de Ca2+ en neuronas diana.
En condiciones basales, la PKC es predominantemente una proteína citoplasmática. Tras la activación por Ca2+ o DAG, la enzima se asocia con la membrana plasmática, el sitio de muchos de sus sustratos fisiológicos conocidos, incluidos los receptores y canales iónicos. De hecho, la translocación de PKC del citoplasma a la membrana se ha utilizado durante mucho tiempo como una medida experimental de activación enzimática. Tal translocación a menudo se ha analizado mediante la unión de ésteres de forbol; los ésteres de forbol son agentes promotores de tumores que se unen selectivamente y activan el PKC. Recientemente, se ha resuelto la base molecular de la translocación de PKC del citoplasma a la membrana plasmática. La PKC activada, pero no la forma inactiva de la enzima, se une con alta afinidad a una serie de proteínas asociadas a la membrana, denominadas receptores para la cinasa C activada (RACK) . Los bastidores funcionan por analogía con los AKAPs para que la PKA dirija o reclute estas enzimas ampliamente expresadas a sitios subcelulares donde se requiere su actividad.
Las diversas acciones de las señales extracelulares están mediadas por proteínas quinasas dependientes de un segundo mensajero. Se ha demostrado que la aplicación intracelular por microinyección o transfección de PKA, PKG, CaMK II o PKC en tipos particulares de neuronas imita respuestas fisiológicas específicas (regulación de canales iónicos, liberación de neurotransmisores y transcripción de genes) a primeros mensajeros específicos (neurotransmisores o impulsos nerviosos) para esas neuronas . Cuando se dispone de inhibidores específicos de las quinasas, se ha demostrado que su aplicación bloquea la capacidad de los neurotransmisores para provocar esas respuestas. Tomados en conjunto, estos hallazgos demuestran que la activación de estas proteínas quinasas dependientes de un segundo mensajero es un paso necesario y suficiente en la secuencia de eventos por los cuales ciertos primeros mensajeros producen algunos de sus efectos fisiológicos.
Las metodologías transgénicas han proporcionado pruebas adicionales de la importancia de las proteínas quinasas dependientes de un segundo mensajero en la regulación de la transducción de señales cerebrales. El mejor ejemplo hasta la fecha es proporcionado por ratones que carecen de subunidades de CaMK II. Estos animales muestran deficiencias en una forma de plasticidad sináptica, potenciación a largo plazo, en el hipocampo, así como aprendizaje espacial anormal, una forma de aprendizaje dependiente de la función del hipocampo (véase también cap. 50).
