proteinkinaser skiljer sig åt i deras cellulära och subcellulära fördelning, substratspecificitet och reglering
dessa egenskaper bestämmer de funktionella roller som spelas av de mer än 70 typerna av proteinkinaser som har hittats i däggdjursvävnader, varav de flesta är kända för att uttryckas i neuroner . De viktigaste klasserna av proteinserin-treoninkinaser i hjärnan, listade i tabell 24-1, behandlas i detta kapitel. De viktigaste klasserna av proteintyrosinkinaser i hjärnan diskuteras i kapitel 25. Bland de bäst studerade proteinkinaserna i hjärnan är de som aktiveras av second messengers cAMP, cGMP, Ca2+ och DAG .
cAMP-beroende proteinkinas (proteinkinas A; PKA) består av katalytiska och regulatoriska subenheter. Holoenzymet av kinaset, som består av en tetramer av två katalytiska (C) och två regulatoriska (R) subenheter, är inaktiv. cAMP aktiverar holoenzymet genom att binda till de regulatoriska subenheterna och därigenom orsaka dissociation av holoenzymet i fria regulatoriska och fria aktiva katalytiska subenheter . Tre isoformer av C-underenheten, var och en av cirka 40 kDa, och fyra isoformer av R-underenheten, var och en av 50 till 55 kDa, har klonats från däggdjursvävnader. De tre C-underenheterna, betecknade Ca, C, C. C. och Cy, uppvisar en mycket likartad och bred substratspecificitet, det vill säga de fosforylerar ett stort antal fysiologiska substratproteiner och kan i allmänhet betraktas som isoformer av varandra. De fyra R-underenheterna består av två former var och en av typ i-och typ II-proteiner. RIIa och rii, men inte Ria och Ri, genomgår autofosforylering enligt beskrivningen nedan. De flesta av dessa r-och C-subenheter av proteinkinas visar en bred cellulär fördelning i hjärnan.
PKA-aktivitet är närvarande i hela cellen, associerad med plasmamembranet och cytoplasmatiska och kärnfraktioner. Kinasen är högt compartmentalized inom cellen, i stor del via en serie av förankringsproteiner, benämnt ett kinasankerproteiner (AKAPs) . Flera former av AKAP är kända, många av cirka 75 till 79 kDa. AKAPs binder specifikt till Riia-och rii-underenheterna i proteinkinas och binder därmed dessa regulatoriska underenheter och deras bundna katalytiska underenheter till specifika subcellulära ställen, till exempel postsynaptiska densiteter. Postsynaptiska densiteter är specialiseringar i distala dendriter som appose presynaptiska nervterminaler och tros innehålla några av neurotransmittorreceptorerna och andra proteiner som krävs för synaptisk överföring. På detta sätt håller AKAPs proteinkinas i närheten av kaskaden av signaltransduktionsproteiner som det fosforylerar för att reglera synaptisk överföring. Den viktiga roll som akaps spelar under fysiologiska förhållanden indikeras av experiment där syntetiska polypeptider som stör AKAP—RII-interaktioner har visat sig störa specifika fysiologiska effekter av PKA .
cGMP-beroende proteinkinas (PKG) är en dimer av två identiska underenheter. Varje underenhet, med en Mr på ~75 000, innehåller en reglerande domän, som binder cGMP och en katalytisk domän . Liksom med det cAMP-beroende enzymet aktiverar cGMP det inaktiva holoenzymet genom att binda till molekylens regulatoriska domän; till skillnad från det cAMP-beroende enzymet åtföljs emellertid aktivering av det cGMP-beroende holoenzymet inte av dissociation av subenheterna. PKG visar en mycket mer begränsad cellulär distribution och substratspecificitet än PKA. Detta återspeglar det mindre antalet andra budbäraråtgärder av cGMP i regleringen av cellfunktionen.
kalcium / kalmodulinberoende proteinkinaser (CaM-kinaser; CaMKs) är en av två huvudklasser av kalciumberoende kinaser i nervsystemet. Hjärnan innehåller minst sex huvudtyper av CaMK, var och en med mycket olika egenskaper. CaMK II, som det cAMP-beroende enzymet, uppvisar en bred cellulär distribution och substratspecificitet och kan betraktas som ett ”multifunktionellt proteinkinas” genom att det förmodligen förmedlar många av de andra budbärarhandlingarna av Ca2+ i många typer av neuroner . I analogi med PKG innehåller CaMK II en reglerande domän, som i viloläge binder till och hämmar en katalytisk domän; denna hämning lindras när Ca2+/kalmodulin binder till det regulatoriska området. Flera isoformer av detta enzym har klonats, inklusive flera underenheter av 20 och 60 kDa. Enzymet existerar under fysiologiska förhållanden som stora multimera komplex av identiska eller distinkta isoformer.
CaMKs i och IV verkar också spela viktiga roller för att förmedla många av de andra budbärarhandlingarna av Ca2+ i nervsystemet, även om deras exakta substratspecificitet endast förblir delvis känd . En intressant egenskap hos CaMK I och IV är att båda verkar aktiveras inte bara av Ca2+/kalmodulinbindning utan också vid deras fosforylering av andra proteinkinaser, som har kallats CaMK i-Kinas respektive CaMK IV-Kinas . Dessa CaMK-kinaser kan också vara Ca2+ / kalmodulinberoende enzymer. Camk IV-kinasenzymet har klonats. Intressant är att detta Kinas själv fosforyleras och hämmas av PKA, vilket ger en framträdande mekanism genom vilken cAMP-och Ca2+ – kaskaderna interagerar, vilket kommer att behandlas mer detaljerat nedan.
de återstående tre typerna av CaMK är fosforylaskinas, myosin light chain Kinas och CaMK III . Dessa enzymer verkar fosforylera färre substratproteiner, och i vissa fall endast en typ, under fysiologiska förhållanden, och var och en kan därför förmedla relativt färre åtgärder av Ca2+ i nervsystemet.
proteinkinas C (PKC) innefattar den andra huvudklassen av Ca2+-beroende proteinkinaser och aktiveras av Ca2+ i samband med dag och fosfatidylserin . Flera former av PKC har klonats, och hjärnan är känd för att innehålla minst sju arter av enzymet. Variantformerna av PKC uppvisar olika cellfördelningar i hjärnan och olika reglerande egenskaper. De skiljer sig till exempel i den relativa förmågan hos Ca2+ och DAG att aktivera dem: vissa kräver både Ca2+ och DAG, medan andra kan aktiveras av DAG ensam, uppenbarligen utan en ökning av cellulära Ca2+ – koncentrationer. Dessa enzymer visar emellertid liknande substratspecifikationer och anses som ett resultat ofta isoformer.
PKC existerar under fysiologiska förhållanden som enstaka polypeptidkedjor på cirka 80 kDa. Varje polypeptid innehåller en reglerande domän, som i vilotillstånd binder till och hämmar en katalytisk domän. Denna hämning lindras när Ca2+ och/eller DAG binder till den regulatoriska domänen. PKC uppvisar en bred substratspecificitet och förmedlar många andra budbärarfunktioner av Ca2+ i målneuroner.
under basala förhållanden är PKC övervägande ett cytoplasmiskt protein. Vid aktivering av Ca2 + eller DAG associerar enzymet med plasmamembranet, platsen för många av dess kända fysiologiska substrat, inklusive receptorer och jonkanaler. Faktum är att translokationen av PKC från cytoplasman till membranet länge har använts som ett experimentellt mått på enzymaktivering. Sådan translokation har ofta analyserats av phorbol esterbindning; phorbol estrar är tumörfrämjande medel som selektivt binder till och aktiverar PKC. Nyligen har den molekylära grunden för translokationen av PKC från cytoplasman till plasmamembranet lösts. Aktiverad PKC, men inte den inaktiva formen av enzymet, binder med hög affinitet till en serie membranassocierade proteiner, benämnda receptorer för aktiverat C-Kinas (RACK) . RACKs fungerar därmed analogt med AKAPs för PKA att rikta eller rekrytera dessa allmänt uttryckta enzymer till subcellulära ställen där deras aktivitet krävs.
olika åtgärder av extracellulära signaler förmedlas av andra budbärarberoende proteinkinaser. Den intracellulära applikationen genom mikroinjektion eller transfektion av PKA, PKG, CaMK II eller PKC i särskilda typer av neuroner har visat sig efterlikna specifika fysiologiska svar (reglering av jonkanaler, neurotransmittorfrisättning och gentranskription) till specifika första budbärare (neurotransmittorer eller nervimpulser) för dessa neuroner . Där specifika hämmare av kinaserna finns tillgängliga har deras tillämpning visat sig blockera neurotransmittorernas förmåga att framkalla dessa svar. Sammantaget visar dessa resultat att aktivering av dessa andra budbärarberoende proteinkinaser är både ett nödvändigt och tillräckligt steg i händelseförloppet genom vilket vissa första budbärare producerar några av deras fysiologiska effekter.
transgena metoder har gett ytterligare bevis för vikten av andra budbärarberoende proteinkinaser vid reglering av hjärnsignaltransduktion. Det bästa exemplet hittills tillhandahålls av möss som saknar underenheter av CaMK II. Dessa djur visar brister i en form av synaptisk plasticitet, långvarig potentiering, i hippocampus såväl som onormalt rumsligt lärande, en form av lärande beroende av hippocampal funktion (Se även Kap. 50).
