Chinasi proteica A - Protein kinase A

Proteina chinasi cAMP-dipendente (proteina chinasi A)
Identificatori
CE n. 2.7.11.11
CAS n. 142008-29-5
Banche dati
IntEnz Vista IntEnz
BRENDA Ingresso BRENDA
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KEGG Ingresso KEGG
MetaCyc passaggio metabolico
PRIAM profilo
Strutture PDB RCSB PDB PDBe PDBsum

In biologia cellulare , la proteina chinasi A ( PKA ) è una famiglia di enzimi la cui attività dipende dai livelli cellulari di AMP ciclico (cAMP). La PKA è anche conosciuta come protein chinasi cAMP-dipendente ( EC 2.7.11.11 ). La PKA ha diverse funzioni nella cellula, inclusa la regolazione del glicogeno , dello zucchero e del metabolismo dei lipidi .

Storia

La protein chinasi A, più precisamente nota come protein chinasi adenosina 3',5'-monofosfato (AMP ciclico)-dipendente, abbreviata in PKA, è stata scoperta dai chimici Edmond H. Fischer e Edwin G. Krebs nel 1968. Hanno vinto il Premio Nobel in Fisiologia o Medicina nel 1992 per il loro lavoro sulla fosforilazione e defosforilazione e su come si relaziona all'attività della PKA.

PKA è una delle chinasi proteiche più ricercate , in parte a causa della sua unicità; su 540 diversi geni della proteina chinasi che compongono il kinome umano , solo un'altra proteina chinasi, la caseina chinasi 2 , è nota per esistere in un complesso tetramerico fisiologico, il che significa che è costituito da quattro subunità.

La diversità delle subunità PKA dei mammiferi è stata realizzata dopo che il Dr. Stan McKnight e altri hanno identificato quattro possibili geni di subunità catalitiche e quattro geni di subunità regolatorie. Nel 1991, Susan Taylor e colleghi hanno cristallizzato la subunità PKA Cα, che ha rivelato per la prima volta la struttura bi-lobo del nucleo della proteina chinasi, fornendo un modello per tutte le altre proteine ​​chinasi in un genoma (il kinome).

Struttura

Quando inattivo, l'oloenzima PKA esiste come un tetramero che consiste di due subunità regolatorie e due subunità catalitiche. La subunità catalitica contiene il sito attivo, una serie di residui canonici trovati nelle protein chinasi che legano e idrolizzano l' ATP e un dominio per legare la subunità regolatoria. La subunità regolatoria ha domini da legare all'AMP ciclico, un dominio che interagisce con la subunità catalitica e un dominio autoinibitore. Esistono due forme principali di subunità regolatorie; RI e RI.

Cellule di mammifero hanno almeno due tipi di PKAs: tipo I è principalmente nel citosol , mentre il tipo II è vincolata tramite le sue subunità regolatorie e proteine speciale ancoraggio, descritto nella sezione di ancoraggio , alla membrana plasmatica , membrana nucleare , membrana esterna mitocondriale , e microtubuli . In entrambi i tipi, una volta liberate e attive, le subunità catalitiche possono migrare nel nucleo (dove possono fosforilare le proteine ​​regolatrici della trascrizione), mentre le subunità regolatorie rimangono nel citoplasma.

I seguenti geni umani codificano per le subunità PKA:

Meccanismo

Panoramica: meccanismi di attivazione e inattivazione di PKA

Attivazione

La PKA è anche comunemente nota come protein chinasi cAMP-dipendente, perché tradizionalmente si pensava che venisse attivata attraverso il rilascio delle subunità catalitiche quando i livelli del secondo messaggero chiamato adenosina monofosfato ciclico , o cAMP, aumentano in risposta a una varietà di segnali. Tuttavia, studi recenti che valutano i complessi oloenzima intatti, compresi i complessi di segnalazione regolatori legati all'AKAP, hanno suggerito che l'attivazione subcellulare locale dell'attività catalitica di PKA potrebbe procedere senza separazione fisica dei componenti regolatori e catalitici, specialmente a concentrazioni fisiologiche di cAMP . Al contrario, concentrazioni sovrafisiologiche di cAMP indotte sperimentalmente, cioè superiori a quelle normalmente osservate nelle cellule, sono in grado di provocare la separazione degli oloenzimi e il rilascio delle subunità catalitiche.

Gli ormoni extracellulari, come il glucagone e l' adrenalina , iniziano una cascata di segnali intracellulari che innesca l'attivazione della proteina chinasi A legandosi prima a un recettore accoppiato a proteine ​​G (GPCR) sulla cellula bersaglio. Quando un GPCR viene attivato dal suo ligando extracellulare, viene indotto un cambiamento conformazionale nel recettore che viene trasmesso a un complesso proteico G eterotrimerico intracellulare attaccato dalla dinamica del dominio proteico . La subunità alfa Gs del complesso proteico G stimolato scambia PIL con GTP in una reazione catalizzata dal GPCR e viene rilasciata dal complesso. La subunità alfa Gs attivata si lega e attiva un enzima chiamato adenilciclasi , che, a sua volta, catalizza la conversione dell'ATP in cAMP, aumentando direttamente il livello di cAMP. Quattro molecole di cAMP sono in grado di legarsi alle due subunità regolatorie. Questo viene fatto da due molecole di cAMP che si legano a ciascuno dei due siti di legame del cAMP (CNB-B e CNB-A) che induce un cambiamento conformazionale nelle subunità regolatorie di PKA, provocando il distacco delle subunità e liberando le due, ora attivate, subunità catalitiche.

Una volta rilasciate dalla subunità regolatrice inibitoria, le subunità catalitiche possono continuare a fosforilare una serie di altre proteine ​​nel contesto del substrato minimo Arg-Arg-X-Ser/Thr., sebbene siano ancora soggette ad altri livelli di regolazione, inclusa la modulazione da parte di lo pseudosubstrato termostabile inibitore della PKA, chiamato PKI.

Di seguito è riportato un elenco dei passaggi coinvolti nell'attivazione di PKA:

  1. Il cAMP citosolico aumenta
  2. Due molecole di cAMP si legano a ciascuna subunità regolatoria della PKA
  3. Le subunità regolatorie escono dai siti attivi delle subunità catalitiche e il complesso R2C2 si dissocia
  4. Le subunità catalitiche libere interagiscono con le proteine ​​per fosforilare i residui di Ser o Thr.

Catalisi

Le subunità catalitiche liberate possono catalizzare il trasferimento di fosfati terminali di ATP per proteine substrati a serina o treonina residui . Questa fosforilazione di solito provoca un cambiamento nell'attività del substrato. Poiché le PKA sono presenti in una varietà di cellule e agiscono su diversi substrati, la regolazione della PKA e la regolazione del cAMP sono coinvolte in molti percorsi diversi.

I meccanismi di ulteriori effetti possono essere suddivisi in fosforilazione proteica diretta e sintesi proteica:

  • Nella fosforilazione diretta delle proteine, la PKA aumenta o diminuisce direttamente l'attività di una proteina.
  • Nella sintesi proteica, la PKA attiva prima direttamente CREB , che lega l' elemento di risposta cAMP (CRE), alterando la trascrizione e quindi la sintesi della proteina. In generale, questo meccanismo richiede più tempo (da ore a giorni).

Meccanismo di fosforilazione

Il residuo Serina/Treonina del peptide substrato è orientato in modo tale che il gruppo ossidrile sia rivolto verso il gruppo gamma fosfato della molecola di ATP legata. Sia il substrato, l'ATP, sia i due ioni Mg2+ formano contatti intensi con la subunità catalitica della PKA. Nella conformazione attiva, l'elica C si impacca contro il lobo N-terminale e il residuo di aspartato del motivo DFG conservato chela gli ioni Mg2+, aiutando a posizionare il substrato di ATP. Il gruppo trifosfato dell'ATP indica dalla tasca dell'adenosina per il trasferimento del gamma-fosfato alla serina/treonina del substrato peptidico. Ci sono diversi residui conservati, tra cui il glutammato (E) 91 e la lisina (K) 72, che mediano il posizionamento dei gruppi alfa e beta-fosfato. Il gruppo idrossile della serina/treonina del substrato peptidico attacca il gruppo gamma fosfato al fosforo tramite una reazione nucleofila SN2, che provoca il trasferimento del fosfato terminale al substrato peptidico e la scissione del legame fosfodiestere tra il beta-fosfato e il gruppi gamma-fosfato. La PKA funge da modello per comprendere la biologia della proteina chinasi , con la posizione dei residui conservati che aiuta a distinguere la proteina chinasi attiva e i membri pseudochinasi inattivi del kinome umano.

Inattivazione

campo

La downregulation della protein chinasi A avviene mediante un meccanismo di feedback e utilizza un numero di enzimi fosfodiesterasi (PDE) che idrolizzano il cAMP , che appartengono ai substrati attivati ​​dalla PKA. La fosfodiesterasi converte rapidamente il cAMP in AMP, riducendo così la quantità di cAMP che può attivare la protein chinasi A. La PKA è anche regolata da una serie complessa di eventi di fosforilazione, che possono includere modifiche mediante autofosforilazione e fosforilazione da parte di chinasi regolatorie, come PDK1.

Pertanto, la PKA è controllata, in parte, dai livelli cAMP . Inoltre, la stessa subunità catalitica può essere sottoregolata dalla fosforilazione.

Ancoraggio

Il dimero della subunità regolatoria della PKA è importante per localizzare la chinasi all'interno della cellula. Il dominio di dimerizzazione e aggancio (D/D) del dimero si lega al dominio di legame della A-chinasi (AKB) della proteina di ancoraggio della A-chinasi (AKAP). Gli AKAP localizzano la PKA in varie posizioni (p. es., membrana plasmatica, mitocondri, ecc.) all'interno della cellula.

Gli AKAP legano molte altre proteine ​​di segnalazione, creando un hub di segnalazione molto efficiente in una determinata posizione all'interno della cellula. Ad esempio, un AKAP situato vicino al nucleo di una cellula del muscolo cardiaco legherebbe sia PKA che fosfodiesterasi (idrolizza cAMP), il che consente alla cellula di limitare la produttività di PKA, poiché la subunità catalitica viene attivata una volta che il cAMP si lega alle subunità regolatorie.

Funzione

La PKA fosforila le proteine che hanno esposto il motivo Arginina-Arginina-X-Serina, a loro volta (de)attivando le proteine. Esistono molti possibili substrati di PKA; un elenco di tali substrati è disponibile e mantenuto dal NIH .

Poiché l'espressione proteica varia da tipo cellulare a tipo cellulare, le proteine ​​disponibili per la fosforilazione dipenderanno dalla cellula in cui è presente la PKA. Pertanto, gli effetti dell'attivazione della PKA variano a seconda del tipo di cellula :

Tabella riepilogativa

Tipo di cella Sistema di organi
Ligandi stimolatori → G s - GPCR
o inibitori della PDE
Inibitori
ligandi → G i - GPCR
o stimolatori PDE
Effetti
adipocita
miocita ( muscolo scheletrico ) sistema muscolare
miocita ( muscolo cardiaco ) cardiovascolare
miociti ( muscolo liscio ) cardiovascolare Contribuisce alla vasodilatazione (fosforila, e quindi inattiva, la chinasi della catena leggera della miosina )
epatocita fegato
neuroni nel nucleo accumbens sistema nervoso dopaminarecettore della dopamina Attiva il sistema di ricompensa
cellule principali del rene rene
Cellula spessa dell'arto ascendente rene Vasopressinarecettore V2 stimolare il symporter Na-K-2Cl (forse solo un effetto minore)
Cellula del tubulo collettore corticale rene Vasopressinarecettore V2 stimolare il canale epiteliale del sodio (forse solo un effetto minore)
Cellula interna del dotto collettore midollare rene Vasopressinarecettore V2
cellula tubulo contorto prossimale rene PTHrecettore PTH 1 Inibire NHE3 → ↓H + secrezione
cellula iuxtaglomerulare rene secrezione di renina

Negli adipociti e negli epatociti

L'adrenalina e il glucagone influenzano l'attività della proteina chinasi A modificando i livelli di cAMP in una cellula tramite il meccanismo della proteina G, utilizzando l' adenilato ciclasi . La proteina chinasi A agisce per fosforilare molti enzimi importanti nel metabolismo. Ad esempio, la proteina chinasi A fosforila l' acetil-CoA carbossilasi e la piruvato deidrogenasi . Tale modifica covalente ha un effetto inibitorio su questi enzimi, inibendo così la lipogenesi e promuovendo la gluconeogenesi netta . L'insulina, invece, diminuisce il livello di fosforilazione di questi enzimi, che invece favorisce la lipogenesi. Ricordiamo che la gluconeogenesi non si verifica nei miociti.

Nei neuroni del nucleo accumbens

La PKA aiuta a trasferire/tradurre il segnale della dopamina nelle cellule del nucleo accumbens , che media la ricompensa, la motivazione e l' importanza del compito . La stragrande maggioranza della percezione della ricompensa coinvolge l'attivazione neuronale nel nucleo accumbens, alcuni esempi dei quali includono sesso, droghe ricreative e cibo. Protein Kinase Un percorso di trasduzione del segnale aiuta nella modulazione del consumo di etanolo e dei suoi effetti sedativi. Uno studio sui topi riporta che i topi con segnalazione di cAMP-PKA geneticamente ridotta si traducono in un minor consumo di etanolo e sono più sensibili ai suoi effetti sedativi.

Nel muscolo scheletrico

La PKA è diretta a specifiche posizioni subcellulari dopo il tethering agli AKAP . Il recettore della rianodina (RyR) co-localizza con l'AKAP muscolare e la fosforilazione di RyR e l'efflusso di Ca 2+ è aumentato dalla localizzazione di PKA a RyR da parte degli AKAP.

Nel muscolo cardiaco

In una cascata mediata da un GPCR noto come adrenocettore β 1 , attivato dalle catecolamine (in particolare la noradrenalina ), la PKA viene attivata e fosforila numerosi bersagli, vale a dire: canali del calcio di tipo L , fosfolambano , troponina I , proteina C legante la miosina e canali del potassio . Ciò aumenta l' inotropia e la lusitropia , aumentando la forza di contrazione e consentendo ai muscoli di rilassarsi più velocemente.

Nella formazione della memoria

La PKA è sempre stata considerata importante nella formazione di una memoria . Nel moscerino della frutta , la riduzione dell'attività di espressione del DCO (gene codificante per la subunità catalitica PKA) può causare gravi difficoltà di apprendimento, memoria a medio termine e memoria a breve termine. La memoria a lungo termine dipende dal fattore di trascrizione CREB, regolato dalla PKA. Uno studio condotto sulla drosofila ha riportato che un aumento dell'attività della PKA può influenzare la memoria a breve termine. Tuttavia, una diminuzione dell'attività della PKA del 24% ha inibito le capacità di apprendimento e una diminuzione del 16% ha influito sia sulla capacità di apprendimento che sulla conservazione della memoria. La formazione di una memoria normale è altamente sensibile ai livelli di PKA.

Guarda anche

Riferimenti

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