Protein kinazele diferă în distribuția lor celulară și subcelulară, specificitatea substratului și reglarea
aceste proprietăți determină rolurile funcționale jucate de cele peste 70 de tipuri de protein kinaze care au fost găsite în țesuturile mamiferelor, dintre care majoritatea sunt cunoscute a fi exprimate în neuroni . Principalele clase de proteine serin-treonin kinaze din creier, enumerate în tabelul 24-1, sunt acoperite în acest capitol. Principalele clase de proteine tirozin kinaze din creier sunt discutate în capitolul 25. Printre cele mai bine studiate proteine kinaze din creier se numără cele activate de al doilea mesager cAMP, cGMP, Ca2+ și DAG .
protein kinaza dependentă de cAMP (protein kinaza A; PKA) este compusă din subunități catalitice și de reglare. Holoenzima kinazei, care constă dintr-un tetramer format din două subunități catalitice (C) și două subunități reglatoare (R), este inactivă. cAMP activează holoenzima prin legarea la subunitățile de reglementare, provocând astfel disocierea holoenzimei în subunități catalitice libere de reglementare și active libere . Trei izoforme ale subunității C, fiecare de aproximativ 40 kDa și patru izoforme ale subunității R, fiecare de 50 până la 55 kDa, au fost clonate din țesuturile mamiferelor. Cele trei subunități C, desemnate Ca, C si CY, prezintă o specificitate foarte asemănătoare și largă a substratului, adică fosforilează un număr mare de proteine fiziologice ale substratului și pot fi în general considerate izoforme una de cealaltă. Cele patru subunități R constau din două forme fiecare de proteine de tip I și tip II. RIIa și rii XV, dar nu RIa și Ri XV, sunt supuse autofosforilării, conform descrierii de mai jos. Majoritatea acestor subunități R și C ale protein kinazei prezintă o distribuție celulară largă în creier.
activitatea PKA este prezentă în întreaga celulă, asociată cu membrana plasmatică și fracțiunile citoplasmatice și nucleare. Kinaza este foarte compartimentată în interiorul celulei, în mare parte printr-o serie de proteine de ancorare, denumite proteine de ancorare a kinazei (AKAPs) . Sunt cunoscute mai multe forme de AKAPs, multe de aproximativ 75 până la 79 kDa. AKAPs se leagă în mod specific cu subunitățile RIIa și rii ale protein kinazei și, prin urmare, leagă aceste subunități reglatoare și subunitățile catalitice legate de siturile subcelulare specifice, de exemplu, densitățile postsinaptice. Densitățile postsinaptice sunt specializări în dendritele distale care apar terminalele nervoase presinaptice și se crede că conțin unii dintre receptorii neurotransmițători și alte proteine necesare pentru transmiterea sinaptică. În acest fel, AKAPs păstrează protein kinaza în imediata apropiere a cascadei proteinelor de transducție a semnalului pe care le fosforilează pentru a regla transmisia sinaptică. Rolul important jucat de AKAPs în condiții fiziologice este indicat de experimentele în care polipeptidele sintetice care perturbă interacțiunile AKAP—RII s-au dovedit a perturba efectele fiziologice specifice ale PKA .
proteina kinază dependentă de cGMP (PKG) este un dimer de două subunități identice. Fiecare subunitate, cu un Mr de ~75.000, conține un domeniu de reglementare, care leagă cGMP și un domeniu catalitic . Ca și în cazul enzimei dependente de cAMP, cGMP activează holoenzima inactivă prin legarea la domeniul de reglementare al moleculei; cu toate acestea, spre deosebire de enzima dependentă de cAMP, activarea holoenzimei dependente de cGMP nu este însoțită de disocierea subunităților. PKG prezintă o distribuție celulară mult mai limitată și specificitatea substratului decât PKA. Aceasta reflectă numărul mai mic de acțiuni de mesagerie secundară ale cGMP în reglarea funcției celulare.
Protein kinaze dependente de calciu/calmodulină (cam kinaze; CaMKs) sunt una dintre cele două clase majore de kinaze dependente de calciu din sistemul nervos. Creierul conține cel puțin șase tipuri majore de CaMK, fiecare cu proprietăți foarte diferite. CaMK II, la fel ca enzima dependentă de cAMP, prezintă o distribuție celulară largă și specificitate a substratului și poate fi considerată o „protein kinază multifuncțională” prin faptul că probabil mediază multe dintre acțiunile de al doilea mesager ale Ca2+ în multe tipuri de neuroni . Prin analogie cu PKG, CaMK II conține un domeniu de reglementare, care, în stare de repaus, se leagă și inhibă un domeniu catalitic; această inhibare este ameliorată atunci când Ca2 + /calmodulin se leagă de domeniul de reglementare. Au fost clonate mai multe izoforme ale acestei enzime, inclusiv mai multe subunități de ~50 și, respectiv, 60 kDa. Enzima există în condiții fiziologice ca complexe multimerice mari de izoforme identice sau distincte.
CaMKs I și IV par, de asemenea, să joace roluri importante în medierea multor acțiuni de al doilea mesager ale Ca2+ în sistemul nervos, deși specificitatea lor precisă a substratului rămâne doar parțial cunoscută . O caracteristică interesantă a CaMK I și IV este că ambele par a fi activate nu numai prin legarea Ca2+/calmodulină, ci și prin fosforilarea lor de către alte proteine kinaze, care au fost denumite camk i kinază și, respectiv, camk IV kinază . Aceste kinaze CaMK pot fi, de asemenea, enzime dependente de Ca2 + /calmodulină. Enzima kinază CAMK IV a fost clonată. Interesant este că această kinază este ea însăși fosforilată și inhibată de PKA, oferind astfel un mecanism proeminent prin care cascadele cAMP și Ca2+ interacționează, așa cum vor fi acoperite mai detaliat mai jos.
celelalte trei tipuri de CaMK sunt fosforilaza kinază, miozina kinază cu lanț ușor și CaMK III . Aceste enzime par să fosforileze mai puține proteine de substrat și, în unele cazuri, un singur tip, în condiții fiziologice, și, prin urmare, fiecare poate Media relativ mai puține acțiuni de Ca2+ în sistemul nervos.
Protein kinaza C (PKC) cuprinde cealaltă clasă majoră de proteine kinaze dependente de Ca2+și este activată de Ca2+ împreună cu Dag și fosfatidilserină . Mai multe forme de PKC au fost clonate, iar creierul este cunoscut pentru a conține cel puțin șapte specii ale enzimei. Formele variante ale PKC prezintă diferite distribuții celulare în creier și diferite proprietăți de reglementare. De exemplu, ele diferă în capacitatea relativă a Ca2+ și DAG de a le activa: unele necesită atât Ca2+, cât și DAG, în timp ce altele pot fi activate doar de DAG, aparent fără o creștere a concentrațiilor celulare de Ca2+. Cu toate acestea, aceste enzime prezintă specificități similare ale substratului și, ca urmare, sunt adesea considerate izoforme.
PKC există în condiții fiziologice ca lanțuri polipeptidice unice de aproximativ 80 kDa. Fiecare polipeptidă conține un domeniu de reglementare, care, în stare de repaus, se leagă și inhibă un domeniu catalitic. Această inhibare este ameliorată atunci când Ca2+ și/sau DAG se leagă de domeniul de reglementare. PKC prezintă o specificitate largă a substratului și mediază numeroase funcții de mesager secundar ale Ca2+ în neuronii țintă.
în condiții bazale, PKC este predominant o proteină citoplasmatică. La activarea prin Ca2 + sau DAG, enzima se asociază cu membrana plasmatică, locul multor substraturi fiziologice cunoscute, inclusiv receptorii și canalele ionice. De fapt, translocarea PKC de la citoplasmă la membrană a fost folosită de mult timp ca măsură experimentală a activării enzimei. O astfel de translocare a fost adesea testată prin legarea esterului phorbol; esterii phorbol sunt agenți care promovează tumorile care se leagă selectiv și activează PKC. Recent, a fost rezolvată baza moleculară a translocării PKC de la citoplasmă la membrana plasmatică. PKC activat, dar nu forma inactivă a enzimei, se leagă cu afinitate ridicată de o serie de proteine asociate membranei, denumite receptori pentru C kinaza activată (RACK) . Rafturile funcționează astfel prin analogie cu AKAPs pentru ca PKA să direcționeze sau să recruteze aceste enzime exprimate pe scară largă către siturile subcelulare unde este necesară activitatea lor.
diverse acțiuni ale semnalelor extracelulare sunt mediate de protein kinazele dependente de mesager. Aplicarea intracelulară prin microinjecție sau transfecție a PKA, PKG, CaMK II sau PKC în anumite tipuri de neuroni s-a dovedit a imita răspunsuri fiziologice specifice (reglarea canalelor ionice, eliberarea neurotransmițătorilor și transcrierea genei) la primii mesageri specifici (neurotransmițători sau impulsuri nervoase) pentru acei neuroni . Acolo unde sunt disponibili inhibitori specifici ai kinazelor, s-a demonstrat că aplicarea lor blochează capacitatea neurotransmițătorilor de a provoca aceste răspunsuri. Luate împreună, aceste descoperiri demonstrează că activarea acestor proteine kinaze dependente de mesager este atât un pas necesar, cât și suficient în secvența evenimentelor prin care anumiți primi mesageri produc unele dintre efectele lor fiziologice.
metodologiile transgenice au furnizat dovezi suplimentare pentru importanța protein kinazelor dependente de mesager în reglarea transducției semnalului cerebral. Cel mai bun exemplu până în prezent este oferit de șoareci lipsiți de subunități ale CaMK II. Aceste animale prezintă deficiențe într-o formă de plasticitate sinaptică, potențare pe termen lung, în hipocampus, precum și învățare spațială anormală, o formă de învățare dependentă de funcția hipocampului (vezi și cap. 50).
