Proteinkinasen sind Enzyme, die den Transfer einer Phosphatgruppe von einem Donor (meist ATP) auf einen Aminosäurerest von Proteinen katalysiert. Der Mechanismus der Proteinphosphorylierung wird in der Signaltransduktion genutzt. Hierzu gehört auch die Regulation der Aktivität von Enzymen. Die Phosphorylierung kann durch Ladungsveränderungen das Zielprotein aktivieren oder inhibieren. Obwohl die meisten Proteinkinasen spezifisch einen Aminosäurerest phosphorylieren, gibt es auch bispezifische Proteinkinasen, die zwei verschiedene Aminosäurereste phosphorylieren können.
Proteinkinasen selbst können reguliert werden durch:
- Aktivatorproteine
- Inhibitorproteine
- Pseudosubstrate
- Autoinhibition (ein Teil der Peptidkette der Proteinkinase agiert als Pseudosubstrat)
- Ligandenbindung an regulatorische Untereinheiten
- Kofaktoren / second messenger
- Phosphorylierung im aktiven Zentrum durch
- andere Proteinkinasen (Trans-phosphorylierung)
- sich selbst (Cis-phosphorylierung/Autophosphorylierung)
- Lokation in der Zelle
Serin/Threonin-Kinasen
Diese Proteinkinasen (EC 2.7.1.37) phosphorylieren die Hydroxylgruppen (OH-Gruppen) von Serin- und Threoninresten. Diese Kinasen werden reguliert durch:
- cAMP oder cGMP
- Diacylglycerol
- Ca2+ bzw. Calmodulin
Diese Kinasen erkennen nicht spezifisch die das Serin (Ser) oder Threonin (Thr) umgebenden Aminosäurereste (Konsensussequenz), wohingegen die Sequenz ihrer eigenen katalytischen Zentren hochkonserviert ist. Durch die geringe Spezifität werden durch diese Kinasen keine einzelnen Proteine phosphoryliert, sondern ganze Proteinfamilien. Inhibiert werden diese Enzyme, indem ein Pseudosubstrat an das aktive Zentrum bindet, indem es die Zielsequenz der entsprechenden Kinase nachahmt, jedoch über kein Serin oder Threonin verfügt.
Viele Ser/Thr-kinasen besitzen keine eigenen EC Nummern, weswegen die allgemeine Nummer "2.7.1.37" für ATP-Protein Phosphotransferasen genutzt wird. Auf Grund einer Revision dieser Proteinfamilie durch das Nomenklatur Comittee der IUBMB (NC-IUBMB) werden den einzelnen Kinasen eigene EC-Nummern zugewiesen werden.
Phosphorylase Kinase
Dieses Enzym (EC 2.7.1.38) ist die erste Ser/Thr-Kinase, die im Jahr 1959 von Krebs et al. entdeckt wurde.
Die Protein Kinase A (EC 2.7.1.37) besteht aus zwei Domänen. Die kleinere besteht aus einer großen Zahl β-Faltblättern, wohingegen die große Untereinheit eine große Zahl von α-Helices besitzt. Das katalytische Zentrum liegt zwischen den beiden Untereinheiten. Bindet ATP und ein Substrat verdrehen sich Untereinheiten gegeneinander, sodass die γ-Phosphatgruppe des ATP in die Nähe der zu phosphorylierenden Aminosäure kommt und die Transferreaktion stattfinden kann.
Regulation
Dieses Enzym besitzt einige Funktionen in der Zelle. Hierzu zählen die Regulation des Glycogen-, Zucker- und Lipidmetabolismus. Sie selbst werden durch cAMP reguliert. Durch Bindung von cAMP an ein inaktives Tetramer aus zwei regulatorischen und zwei katalytischen Untereinheiten (R2C2) werden die regulatorischen Untereinheiten von den katalytischen abgetrennt, wodurch die Phosphorylierung anderer Proteine ermöglicht wird. Die Proteinkinase A wird wiederum durch Phosphorylierung reguliert.
Außerdem wird durch die Aktivierung einer Phosphodiesterase die verfügbare Menge an cAMP durch Umwandlung in AMP gesenkt. Dies führt dazu, dass die Proteinkinase A ihre eigene Hemmung verursacht und es dadurch zu keiner "Daueraktivierung" der Kinase kommen kann.
Die Bezeichnung Proteinkinase C (EC 2.7.1.37) trifft auf eine Familie von Proteinen mit in Säugetieren 12 Mitgliedern zu, die Ca2+, Diacylglycerol, und ein Phospholipid wie z.B. Phosphatidylcholin zur Aktivierung benötigen. In den meisten Fällen wird Proteinkinase Cα gemeint, wenn von diesen Enzymen die Rede ist.
Struktur und Regulation
Die Proteinkinasen sind hochkonservierte Proteine, die aus einer N-terminalen regulatorischen Domäne und einer C-terminalen katalytischen Domäne bestehen. Solange das Enzym nicht durch einen Tumorpromotor wie Tetradecanoyl-Phorbolacetat (TPA) oder einen der oben genannten Kofaktoren aktiviert wird, ist es inaktiv. Die allgemeine lineare Struktur:
N - Pseudosubstrat - TPA-Bindung - Ca2+-Bindung - ATP-Bindung - Substratbindung - C
Während der Aktivierung verlagert sich die Proteinkinase C zur Zellmembran mit Hilfe von Rezeptoren für aktivierte Proteinkinase C (RACK-Proteine). Einmal aktiviert bleiben diese Kinasen lange Zeit aktiv, obwohl die Ca2+-Konzentration wieder gesunken ist. Dies wird auf die Wirkung von Diacylglycerol zurückgeführt, das aus Phosphatidylcholin durch eine Phospholipase gebildet wird. Diese wird durch die gleichen Signale aktiviert, wie die Proteinkinase selbst.
Funktion
Die Zielsequenz der Proteinkinase C ist der der Proteinkinase A ähnlich, da sie viele basische Aminosäurereste in der Nähe der phosphorylierten Ser/Thr-Reste enthält. Substrate der Proteinkinase C sind MARCKS Proteine, MAP Kinasen, Transkriptionsfaktor-Inhibitor IκB, Vitamin D3 Rezeptor, Raf Kinase, Calpain und der EGF-Rezeptor.
Weitere Informationen im englischen Original des Textes: