kinazy białkowe różnią się pod względem dystrybucji komórkowej i subkomórkowej, swoistości substratu i regulacji
te właściwości określają funkcje pełnione przez ponad 70 rodzajów kinaz białkowych, które zostały znalezione w tkankach ssaków, z których większość wiadomo, że ulega ekspresji w neuronach . Główne klasy kinaz białkowo-serynowo-treoninowych w mózgu, wymienione w tabeli 24-1, są omówione w tym rozdziale. Główne klasy białkowych kinaz tyrozynowych w mózgu omówiono w rozdziale 25. Do najlepiej przebadanych kinaz białkowych w mózgu należą te aktywowane przez drugi obóz posłańców, cGMP, Ca2+ i dag .
kinaza białkowa zależna od cAMP (kinaza białkowa a; PKA) składa się z podjednostek katalitycznych i regulacyjnych. Holoenzym kinazy, który składa się z tetrameru dwóch podjednostek katalitycznych (C) i dwóch regulatorowych (R), jest nieaktywny. cAMP aktywuje holoenzym poprzez wiązanie z podjednostkami regulacyjnymi, powodując w ten sposób dysocjację holoenzymu do wolnych podjednostek regulatorowych i wolnych aktywnych katalitycznie . Trzy izoformy podjednostki C, każda o wartości około 40 kDa, i cztery izoformy podjednostki R, każda o wartości 50 do 55 kDa, zostały sklonowane z tkanek ssaków. Trzy podjednostki C, oznaczone Ca, Cß i Cy, wykazują bardzo podobną i szeroką specyficzność substratową, to znaczy fosforylują dużą liczbę fizjologicznych białek substratowych i ogólnie można je uznać za izoformy siebie nawzajem. Cztery podjednostki R składają się z dwóch form białek typu I i typu II. RIIa i RIIß, ale nie RIa i RIß, podlegają autofosforylacji, jak opisano poniżej. Większość podjednostek R I C kinazy białkowej wykazuje szeroką dystrybucję komórkową w mózgu.
aktywność PKA jest obecna w całej komórce, związana z błoną osocza oraz frakcjami cytoplazmatycznymi i jądrowymi. Kinaza jest wysoce rozdzielona w komórce, w dużej części przez szereg białek kotwiących, zwanych białkami kotwiącymi kinazy (AKAPs). Znane są różne formy Akapów, wiele z nich ma około 75-79 kDa. AKAPs wiążą się specyficznie z podjednostkami RIIa i RIIß kinazy białkowej i w ten sposób wiążą te podjednostki regulacyjne i ich związane podjednostki katalityczne ze specyficznymi miejscami subkomórkowymi, na przykład gęstościami postsynaptycznymi. Gęstości postsynaptyczne są specjalizacjami w dystalnych dendrytach, które apposują presynaptyczne zaciski nerwowe i uważa się, że zawierają niektóre receptory neuroprzekaźników i inne białka wymagane do transmisji synaptycznej. W ten sposób AKAPs utrzymuje kinazę białkową w bliskiej odległości od kaskady białek transdukujących sygnał, które fosforyluje, aby regulować transmisję synaptyczną. Ważną rolę, jaką odgrywają AKAP w warunkach fizjologicznych, wskazują eksperymenty, w których wykazano, że syntetyczne polipeptydy zakłócające interakcje AKAP—Rii zakłócają specyficzne fizjologiczne efekty PKA .
kinaza białkowa zależna od cGMP (PKG) jest dimerem dwóch identycznych podjednostek. Każda podjednostka, o Mr ~ 75 000, zawiera domenę regulacyjną, która wiąże cGMP i domenę katalityczną . Podobnie jak w przypadku enzymu zależnego od cAMP, cGMP aktywuje nieaktywny holoenzym poprzez wiązanie z domeną regulacyjną cząsteczki; jednakże, w przeciwieństwie do enzymu zależnego od cAMP, aktywacji holoenzymu zależnego od cGMP nie towarzyszy dysocjacja podjednostek. PKG wykazuje znacznie bardziej ograniczoną dystrybucję komórkową i specyficzność substratową niż PKA. Odzwierciedla to mniejszą liczbę działań drugiego przekaźnika cGMP w regulacji funkcji komórki.
kinazy białkowe zależne od wapnia/kalmoduliny (kinazy CaM; CaMKs) są jedną z dwóch głównych klas kinaz zależnych od wapnia w układzie nerwowym. Mózg zawiera co najmniej sześć głównych typów CaMK, każdy o bardzo różnych właściwościach. CaMK II, podobnie jak enzym zależny od cAMP, wykazuje szeroką dystrybucję komórkową i specyficzność substratową i może być uważany za” wielofunkcyjną kinazę białkową”, ponieważ prawdopodobnie pośredniczy w wielu działaniach drugiego przekaźnika Ca2+ w wielu typach neuronów . Przez analogię do PKG, CaMK II zawiera domenę regulacyjną, która w stanie spoczynku wiąże się i hamuje domenę katalityczną; hamowanie To ulega złagodzeniu, gdy Ca2+/kalmodulina wiąże się z domeną regulacyjną. Sklonowano kilka izoform tego enzymu, w tym wiele podjednostek α i β o wartości odpowiednio ~50 i 60 kDa. Enzym występuje w warunkach fizjologicznych jako duże kompleksy multimeryczne o identycznych lub odrębnych izoformach.
CaMKs I I IV również wydają się odgrywać ważną rolę w pośredniczeniu w wielu drugorzędowych działaniach Ca2+ w układzie nerwowym, chociaż ich dokładna specyficzność substratu pozostaje tylko częściowo znana . Interesującą cechą CaMK I I IV jest to, że oba wydają się być aktywowane nie tylko przez wiązanie Ca2+/kalmoduliny, ale także po ich fosforylacji przez inne kinazy białkowe, które zostały nazwane odpowiednio kinazą CaMK i i kinazą CaMK IV . Kinazy CaMK mogą być także enzymami zależnymi od Ca2+ / kalmoduliny. Enzym kinazy CaMK IV został sklonowany. Co ciekawe, kinaza ta sama w sobie jest fosforylowana i hamowana przez PKA, zapewniając w ten sposób wyraźny mechanizm, za pomocą którego kaskady cAMP i Ca2+ współdziałają, co zostanie omówione bardziej szczegółowo poniżej.
pozostałe trzy typy CaMK to kinaza fosforylazy, kinaza łańcucha lekkiego miozyny i CaMK III . Enzymy te wydają się fosforylować mniej białek substratowych, aw niektórych przypadkach tylko jeden typ, w warunkach fizjologicznych, a zatem każdy może pośredniczyć w relatywnie mniejszej liczbie Działań Ca2+ w układzie nerwowym.
kinaza białkowa C (PKC) obejmuje inną główną klasę kinaz białkowych zależnych od Ca2+i jest aktywowana przez Ca2+ w połączeniu z DAG i fosfatydyloseryną . Wiele form PKC zostało sklonowanych, a mózg zawiera co najmniej siedem gatunków enzymu. Wariantowe formy PKC wykazują różne dystrybucje komórkowe w mózgu i różne właściwości regulacyjne. Na przykład, różnią się one względną zdolnością Ca2+ i DAG do ich aktywacji: niektóre wymagają zarówno Ca2+, jak i dag, podczas gdy inne mogą być aktywowane przez sam DAG, najwyraźniej bez wzrostu stężenia komórkowego Ca2+. Enzymy te wykazują jednak podobną specyficzność substratów i w rezultacie często są uważane za izoformy.
PKC istnieje w warunkach fizjologicznych jako pojedyncze łańcuchy polipeptydowe o wartości około 80 kDa. Każdy polipeptyd zawiera domenę regulacyjną, która w stanie spoczynku wiąże się z domeną katalityczną i hamuje ją. Hamowanie to jest zmniejszone, gdy Ca2+ i/lub DAG wiąże się z domeną regulacyjną. PKC wykazuje szeroką specyficzność substratową i pośredniczy w licznych funkcjach drugiego przekaźnika Ca2+ w neuronach docelowych.
w Warunkach podstawowych PKC jest głównie białkiem cytoplazmatycznym. Po aktywacji przez Ca2+ lub DAG enzym wiąże się z błoną osocza, miejscem wielu znanych jej substratów fizjologicznych, w tym receptorów i kanałów jonowych. W rzeczywistości translokacja PKC z cytoplazmy do błony długo była używana jako eksperymentalna miara aktywacji enzymu. Taka translokacja była często badana przez wiązanie estru forbolu; estry forbolu są środkami promującymi nowotwór, które selektywnie wiążą się i aktywują PKC. Niedawno rozwiązano molekularne podstawy translokacji PKC z cytoplazmy do błony plazmatycznej. Aktywowany PKC, ale nie nieaktywna forma enzymu, wiąże się z wysokim powinowactwem do szeregu białek związanych z błoną, zwanych receptorami dla aktywowanej kinazy C (RACK) . W ten sposób regały funkcjonują przez analogię z AKAPs dla PKA, aby kierować lub rekrutować te szeroko ekspresyjne enzymy do miejsc subkomórkowych, gdzie wymagana jest ich aktywność.
różne działania sygnałów zewnątrzkomórkowych są pośredniczone przez kinazy białkowe zależne od drugiego Posłańca. Wykazano, że wewnątrzkomórkowe zastosowanie przez mikroinjekcję lub transfekcję PKA, PKG, CaMK II lub PKC do określonych typów neuronów naśladuje specyficzne odpowiedzi fizjologiczne (Regulacja kanałów jonowych, uwalnianie neuroprzekaźników i transkrypcję genów) do określonych pierwszych posłańców (neuroprzekaźników lub impulsów nerwowych) dla tych neuronów . W przypadku gdy dostępne są specyficzne inhibitory kinaz, wykazano, że ich zastosowanie blokuje zdolność neuroprzekaźników do wywoływania tych odpowiedzi. Łącznie wyniki te dowodzą, że aktywacja kinaz białkowych zależnych od wtórnych posłańców jest zarówno koniecznym, jak i wystarczającym krokiem w sekwencji zdarzeń, dzięki którym niektórzy pierwsi posłańcy wywołują pewne swoje fizjologiczne efekty.
metody transgeniczne dostarczyły dalszych dowodów na znaczenie kinaz białkowych zależnych od drugiego Posłańca w regulacji transdukcji sygnału mózgowego. Najlepszym przykładem do tej pory są myszy pozbawione podjednostek CaMK II. Zwierzęta te wykazują niedobory w postaci plastyczności synaptycznej, długotrwałego nasilenia w hipokampie, a także nieprawidłowego uczenia się przestrzennego, formy uczenia się zależnej od funkcji hipokampa (patrz także Chap. 50).
