Proteïnekinasen verschillen in hun cellulaire en subcellulaire distributie, substraatspecificiteit en Regulatie
deze eigenschappen bepalen de functionele rollen van de meer dan 70 soorten proteïnekinasen die in zoogdierweefsels zijn aangetroffen, waarvan de meeste in neuronen tot expressie komen . De belangrijkste klassen van proteïneserine-threoninekinasen in de hersenen, vermeld in Tabel 24-1, worden in dit hoofdstuk behandeld. De belangrijkste klassen van proteïnetyrosinekinasen in de hersenen worden besproken in hoofdstuk 25. Onder de best bestudeerde proteïnekinasen in de hersenen zijn die geactiveerd door het tweede boodschappers kamp, cGMP, Ca2+ en DAG .
cAMP-dependent proteïne kinase (proteïne kinase a; PKA) bestaat uit katalytische en regulerende subeenheden. Het holoenzym van het kinase, dat uit een tetrameer van twee katalytische (C) en twee regelgevende (R) subeenheden bestaat, is inactief. cAMP activeert holoenzyme door aan de regelgevende subeenheden te binden, daardoor veroorzakend dissociatie van holoenzyme in vrije regelgevende en vrije actieve katalytische subeenheden . Drie isovormen van de C-subeenheid, elk van ongeveer 40 kDa, en vier isovormen van de R-subeenheid, elk van 50 tot 55 kDa, zijn gekloond uit zoogdierweefsels. De drie subeenheden van C, aangewezen Ca, Cß en Cy, stellen een zeer gelijkaardige en brede substraatspecificiteit tentoon, dat wil zeggen, zij phosphorylate een groot aantal fysiologische substraatproteã nen, en kunnen over het algemeen als isovormen van elkaar worden beschouwd. De vier subeenheden van R bestaan uit twee vormen elk van type I en type II proteã nen. RIIa en RIIß, maar niet RIa en RIß, ondergaan autofosforylering, zoals hieronder beschreven. De meeste van deze r en C subeenheden van het eiwitkinase tonen een brede cellulaire distributie in de hersenen.
PKA-activiteit is aanwezig in de hele cel, geassocieerd met het plasmamembraan en de cytoplasmatische en nucleaire fracties. Het kinase wordt hoogst gecompartimenteerd binnen de cel, in groot deel via een reeks het verankeren proteã nen, genoemd de proteã nen van het kinaseanker (AKAPs) . Verschillende vormen van AKAPs zijn bekend, veel van ongeveer 75 tot 79 kDa. AKAPs bindt specifiek met de Riia en RIIß subeenheden van het eiwitkinase en daardoor binden deze regelgevende subeenheden en hun gebonden katalytische subeenheden aan specifieke subcellulaire plaatsen, bijvoorbeeld, postsynaptische dichtheden. Postsynaptische dichtheden zijn specialisaties in distale dendrieten die presynaptische zenuwuiteinden appose en worden verondersteld om sommige neurotransmitterreceptoren en andere proteã nen te bevatten die voor synaptische transmissie worden vereist. Op deze manier, houdt AKAPs het eiwitkinase in de nabijheid van de cascade van signaaltransductieproteã nen het phosphorylates om synaptische transmissie te regelen. De belangrijke rol die AKAPs onder fysiologische omstandigheden speelt, blijkt uit experimenten waarin is aangetoond dat synthetische polypeptiden die AKAP—RII interacties verstoren specifieke fysiologische effecten van PKA verstoren .
cGMP-dependent protein kinase (PKG) is een dimeer van twee identieke subeenheden. Elke subeenheid, met een Mr van ~75.000, bevat een regelgevend domein, dat cGMP, en een katalytisch domein bindt . Net als bij het Camp-afhankelijke enzym activeert cGMP het inactieve holoenzym door te binden aan het regulerende domein van de molecule; in tegenstelling tot het cAMP-afhankelijke enzym gaat de activering van het cGMP-afhankelijke holoenzym echter niet gepaard met dissociatie van de subeenheden. PKG toont een veel beperktere cellulaire distributie en substraatspecificiteit dan PKA. Dit weerspiegelt het kleinere aantal tweede-boodschapper acties van cGMP in de verordening van celfunctie.
Calcium/calmoduline-afhankelijke proteïnekinasen (CaM-kinasen); CaMKs) zijn een van de twee belangrijkste klassen van calcium-afhankelijke kinasen in het zenuwstelsel. De hersenen bevatten ten minste zes belangrijke soorten CaMK, elk met zeer verschillende eigenschappen. CaMK II, zoals het Camp-afhankelijke enzym, vertoont een brede cellulaire distributie en substraatspecificiteit en kan worden beschouwd als een “multifunctioneel eiwitkinase” in die zin dat het waarschijnlijk veel van de tweede-boodschapper acties van Ca2+ in vele soorten neuronen bemiddelt . Naar analogie met PKG, bevat CaMK II een regulerend domein, dat, in de rusttoestand, aan een katalytisch domein bindt en remt; deze remming wordt verlicht wanneer Ca2+ / calmoduline zich bindt aan het regulerende domein. Verschillende isovormen van dit enzym zijn gekloond, waaronder meerdere α-En β-subeenheden van respectievelijk ~50 en 60 kDa. Het enzym bestaat onder fysiologische omstandigheden als grote multimerische complexen van identieke of verschillende isovormen.
CaMKs I en IV lijken ook een belangrijke rol te spelen bij het bemiddelen van veel van de tweede-boodschapper acties van Ca2+ in het zenuwstelsel, hoewel hun precieze substraatspecificiteit slechts gedeeltelijk bekend is . Een interessant kenmerk van CaMK I en IV is dat beide lijken te worden geactiveerd niet alleen door Ca2 + / calmoduline-binding, maar ook op hun fosforylatie door andere eiwitkinasen, die respectievelijk CaMK I kinase en CaMK IV kinase zijn genoemd . Deze CaMK kinases kunnen ook Ca2+/calmoduline-afhankelijke enzymen zijn. Het camk IV kinase enzym is gekloond. Interessant, is dit kinase zelf phosphorylated en geremd door PKA, daardoor verstrekkend een prominent mechanisme waardoor de Camp en Ca2 + cascades op elkaar inwerken, zoals hieronder in meer detail zal worden behandeld.
de overige drie typen CaMK zijn fosforylase kinase, myosine lichtketenkinase en CaMK III . Deze enzymen schijnen aan fosforylate minder substraatproteã NEN, EN in sommige gevallen slechts één type, onder fysiologische voorwaarden, en elk kunnen daarom vrij minder acties van Ca2+ in het zenuwstelsel bemiddelen.
eiwitkinase C (PKC) omvat de andere belangrijke klasse van Ca2+-afhankelijke eiwitkinasen en wordt geactiveerd door Ca2+ in combinatie met DAG en fosfatidylserine . Veelvoudige vormen van PKC zijn gekloond, en de hersenen is gekend om minstens zeven species van het enzym te bevatten. De verschillende vormen van PKC vertonen verschillende cellulaire distributies in de hersenen en verschillende regelgevende eigenschappen. Bijvoorbeeld, ze verschillen in het relatieve vermogen van Ca2 + en DAG om ze te activeren: sommige vereisen zowel Ca2 + en DAG, terwijl anderen kunnen worden geactiveerd door DAG alleen, blijkbaar zonder een toename van cellulaire Ca2 + concentraties. Nochtans, vertonen deze enzymen gelijkaardige substraatspecialiteiten en, dientengevolge, worden vaak beschouwd isovormen.
PKC bestaat onder fysiologische omstandigheden als enkelvoudige polypeptideketens van ongeveer 80 kDa. Elk polypeptide bevat een regelgevend domein, dat, in de rusttoestand, aan een katalytisch domein bindt en remt. Deze remming wordt verlicht wanneer Ca2+ en / of DAG aan het regelgevende domein bindt. PKC stelt een brede substraatspecificiteit tentoon en bemiddelt talrijke tweede-boodschapper functies van Ca2+ in doelneuronen.
onder basale omstandigheden is PKC voornamelijk een cytoplasmatisch eiwit. Na activering door Ca2 + of DAG, associeert het enzym met het plasmamembraan, de plaats van veel van zijn bekende fysiologische substraten, met inbegrip van receptoren en ionenkanalen. In feite, is de translocatie van PKC van het cytoplasma aan het membraan lang gebruikt als experimentele maatregel van enzymactivering. Dergelijke translocatie is vaak assayed door phorbolesterband; phorbolesters zijn tumor-bevorderende agenten die selectief binden aan en PKC activeren. Onlangs is de moleculaire basis van de translocatie van PKC van het cytoplasma naar het plasmamembraan opgelost. Geactiveerde PKC, maar niet de inactieve vorm van het enzym, bindt met hoge affiniteit aan een reeks van membraan-geassocieerde proteã nen, genoemd receptoren voor geactiveerde C-kinase (RACK) . De rekken functioneren daardoor naar analogie met AKAPs voor PKA om deze wijd uitgedrukte enzymen aan subcellular plaatsen te leiden of te rekruteren waar hun activiteit wordt vereist.
Diverse acties van extracellulaire signalen worden gemedieerd door tweede boodschapper-afhankelijke proteïnekinasen. De intracellulaire toepassing door micro-injectie of transfectie van PKA, Pkg, CaMK II of PKC in bepaalde typen neuronen is aangetoond dat het specifieke fysiologische reacties nabootst (regulatie van ionenkanalen, afgifte van neurotransmitters en gentranscriptie) op specifieke eerste boodschappers (neurotransmitters of zenuwimpulsen) voor deze neuronen . Wanneer specifieke remmers van de kinasen beschikbaar zijn, is aangetoond dat de toepassing ervan het vermogen van de neurotransmitters om deze reacties op te wekken, blokkeert. Samen tonen deze bevindingen aan dat de activering van deze tweede boodschapper-afhankelijke proteïnekinasen zowel een noodzakelijke als voldoende stap is in de opeenvolging van gebeurtenissen waardoor bepaalde eerste boodschappers enkele van hun fysiologische effecten veroorzaken.
transgene methoden hebben verder bewijs geleverd voor het belang van tweede boodschapper-afhankelijke proteïnekinasen bij de regulatie van de transductie van hersenen. Het beste voorbeeld tot nu toe wordt gegeven door muizen zonder subeenheden van CaMK II. Deze dieren vertonen tekortkomingen in een vorm van synaptische plasticiteit, langdurige potentiëring, in de hippocampus evenals abnormaal ruimtelijk leren, een vorm van leren afhankelijk van hippocampale functie (zie ook hfdst. 50).
