Proteinkinasen sind Enzyme, die im menschlichen Organismus vorkommen und die Katalyse von Phosphorylierungsreaktionen vermitteln. Die Phosphorylierung ist ein Beispiel für eine kovalente Modifikation und stellt einen Mechanismus dar, den Zellen zur Regulation und Steuerung der Enzymaktivität sowie der Proteinfunktionalität nutzen. Eine dieser Proteinkinasen ist die cAMP‑abhängige Proteinkinase, auch als Proteinkinase A bzw. PKA bezeichnet.

Wenn Epinephrin (Adrenalin) in Stresssituationen durch das kardiovaskuläre System zirkuliert, stimuliert es Zellen im Wesentlichen dazu, ATP in ein anderes Molekül umzuwandeln, das als zyklisches Adenosinmonophosphat bzw. kurz cAMP bekannt ist. cAMP ist ein zyklisches Nukleotid, das als intrazellulärer und in einigen Fällen extrazellulärer „Second Messenger“ fungiert und die Wirkung vieler Peptid- oder Aminhormone vermittelt; es wird über mehrere Rezeptoren reguliert, wie z. B. GPCRs einschließlich Alpha- und Beta‑ADRs (adrenerge Rezeptoren), CRHR (Corticotropin Releasing Hormone Receptor), GcgR (Glukagonrezeptor), Smo (Smoothened) usw. Darüber hinaus ist cAMP ein allosterischer Regulator der Proteinkinase A: Es bindet an die inaktive Form der Proteinkinase A und aktiviert diese. Die aktivierte Proteinkinase A ist anschließend für die Aktivierung zahlreicher Enzyme über Phosphorylierung verantwortlich und phosphoryliert dabei eine von zwei Residuenarten, entweder Serin- oder Threoninreste.

Wenn das Substratmolekül eine Konsensus‑Aminosäuresequenz von -Arginin-Arginin-X-Serin oder Threonin-Y- enthält, wobei X im Wesentlichen eine beliebige kleine Aminosäure (z. B. Glycin) und Y eine beliebige große hydrophobe Aminosäure ist, bindet die Proteinkinase A an diese Stelle und phosphoryliert die Zielstelle (Serin oder Threonin). Das erste Arginin der Konsensussequenz kann durch Lysin ersetzt werden, was ebenfalls eine Bindung der Proteinkinase A ermöglicht. Die Affinität der sequenzveränderten Variante ist jedoch geringer als in dem Fall, in dem beide Residuen Arginin sind. Dies kann die Aktivität und Funktionalität des jeweiligen Zielsubstrats verändern.

PKA besteht aus zwei Subunit‑Typen: einer katalytischen Untereinheit mit dem aktiven Zentrum und einer regulatorischen Untereinheit mit einer allosterischen Bindungsstelle für zyklisches AMP. Die katalytische Untereinheit katalysiert die Phosphatübertragungsreaktion. Die regulatorische Untereinheit detektiert den cAMP‑Spiegel und schaltet die katalytischen Untereinheiten in Abhängigkeit davon an oder aus. Bei niedrigen cAMP‑Spiegeln bindet ein Dimer der regulatorischen Untereinheiten an zwei Kopien der katalytischen Untereinheit und bildet einen inaktiven Komplex. Steigt der cAMP‑Spiegel, bindet cAMP an die regulatorische Untereinheit und setzt die katalytische Untereinheit in aktiver Form frei. Genauer gesagt besteht die quartäre Struktur der PKA in Abwesenheit eines allosterischen Effektors aus zwei katalytischen und zwei regulatorischen Untereinheiten (R2C2‑Komplex). Unter Stressbedingungen wird Epinephrin freigesetzt und stimuliert die Bildung von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP), einem allosterischen Effektor der PKA. Wenn cAMP an alle regulatorischen Bindungsstellen bindet, kommt es zu einer Konformationsänderung, die die Dissoziation der regulatorischen von den katalytischen Anteilen ermöglicht. In dem inaktiven PKA‑Komplex sind die aktiven Zentren der katalytischen Untereinheiten durch eine Aminosäuresequenz besetzt, die als Pseudosubstrat‑Sequenz bezeichnet wird und auf der regulatorischen Untereinheit lokalisiert ist. Sobald die aktiven Zentren frei sind, katalysieren diese katalytischen Untereinheiten die Phosphorylierung zahlreicher Zielenzyme.

Innerhalb der Proteinkinase‑A‑Familie kodieren mehrere Gene die Untereinheiten des PKA‑Komplexes. PKA‑cat alpha (PKACa) und PKA‑cat beta (PKACb) sowie PKA‑cat gamma (PKACg) kodieren katalytische Untereinheiten der inaktiven PKA, die als tetramerer Komplex vorliegt. Die beiden regulatorischen Untereinheiten der inaktiven PKA werden durch PKAR1A und PRKAR1B bzw. PRKAR2A und PKAR2B kodiert.

Darüber hinaus spielt die Proteinkinase A eine Schlüsselrolle in einer Reihe zellulärer Prozesse. Sie ist an der Regulation von Zellzyklus und Proliferation, Metabolismus, Weiterleitung von Nervenimpulsen, Zytoskelett‑Remodelling, Muskelkontraktion, Zellüberleben und weiteren zellulären Prozessen beteiligt. PKA kann je nach Typ der regulatorischen PKA‑Untereinheiten (PKA‑reg) im Zytoplasma lokalisiert oder an zelluläre Strukturen und Organellen assoziiert sein. PKA wird durch spezifische Proteine, sogenannte A‑Kinase‑Ankerproteine (AKAPs), an definierte intrazelluläre Lokalisationen verankert. Darüber hinaus können AKAPs an der PKA‑Regulation und/oder an der Steuerung der PKA‑Aktivität beteiligt sein. Die ribosomale Protein‑S6‑Kinase, 90‑kDa‑Polypeptid 1 (p90RSK1), kann die Fähigkeit der PKA zur cAMP‑Bindung regulieren. Inaktives p90RSK1 interagiert mit der regulatorischen Typ‑I‑Untereinheit der PKA. Im Gegensatz dazu interagiert aktives p90RSK1 mit der katalytischen PKA‑Untereinheit (PKA‑cat). Die Bindung von p90RSK1 an PKA‑reg reduziert die Interaktionen zwischen PKA‑reg und PKA‑cat, während die Bindung von aktivem p90RSK1 an PKA‑cat die Interaktionen zwischen PKA‑cat und PKA‑reg erhöht und die Fähigkeit von cAMP, PKA zu stimulieren, vermindert. Zusätzlich kann PKA‑cat durch die 3‑Phosphoinositid‑abhängige Proteinkinase‑1 (PDK‑1), Proteinkinase‑(cAMP‑abhängig, katalytisch)‑Inhibitoren (PKI), Proteinphosphatase 1, regulatorische (Inhibitor‑)Untereinheit 1B (DARPP‑32) reguliert werden.

Darüber hinaus existieren zwei cAMP‑unabhängige Signalwege der PKA‑Regulation. Der eine ist die nukleärer Faktor kappa‑Leichtketten‑Enhancer in B‑Zellen‑Inhibitor (I‑κB)‑abhängige Kaskade. Ein bestimmter Anteil von PKA‑cat liegt in einem Komplex mit I‑κB alpha und beta (NFKBIA und NFKBIB) vor. Unter basalen Bedingungen halten NFKBIA und NFKBIB PKA‑cat alpha im inaktiven Zustand, vermutlich durch Maskierung der ATP‑Bindungsstelle. Phosphorylierung und Abbau von NFKBIA und NFKBIB führen zur Freisetzung und Aktivierung von PKA‑cat alpha. Dieser Signalweg könnte eine generelle Antwort auf vasoaktive Peptide darstellen. Der andere Signalweg wird über Transforming Growth Factor‑beta (TGF‑β)/SMAD‑Familienmitglied 3 und 4 (SMAD3 und SMAD4) vermittelt. Aktiviertes SMAD3 bindet an SMAD4, und dieser Komplex bindet an PKA‑reg. Dies führt zur Freisetzung von PKA‑cat und zur Aktivierung nachgeschalteter Zielgene.

Literatur

1. Cooper DM. Kompartimentierung der Adenylatcyclase und cAMP‑Signalübertragung. Biochemical Society Transactions 2005 Dez; 33(Pt 6):1319-22.
2. Dell'Acqua ML, Smith KE, Gorski JA, Horne EA, Gibson ES, Gomez LL. Regulation neuronaler PKA‑Signalgebung über AKAP‑Targeting‑Dynamiken. European Journal of Cell Biology 2006 Jul; 85(7):627-33.
3. McConnachie G, Langeberg LK, Scott JD. AKAP‑Signalkomplexe: zum Kern der Sache. Trends in Molecular Medicine 2006 Jul; 12(7):317-23.
4. Landsverk HB, Carlson CR, Steen RL, Vossebein L, Herberg FW, Tasken K, Collas P. Regulation der Verankerung der regulatorischen RIIalpha‑Untereinheit der PKA an AKAP95 durch Threonin‑Phosphorylierung von RIIalpha: Implikationen für die Chromosomendynamik während der Mitose. Journal of Cell Science 2001 Sep; 114(Pt 18):3255-64.
5. Tanji C, Yamamoto H, Yorioka N, Kohno N, Kikuchi K, Kikuchi A. Das A‑Kinase‑Ankerprotein AKAP220 bindet an die Glykogensynthase‑Kinase‑3beta (GSK‑3 beta) und vermittelt eine PKA‑abhängige Inhibition von GSK‑3beta. The Journal of Biological Chemistry 2002 Okt 4; 277(40):36955-61.<
6. Chaturvedi D, Poppleton HM, Stringfield T, Barbier A, Patel TB. Subzelluläre Lokalisation und biologische Wirkungen von aktiviertem RSK1 werden durch seine Interaktionen mit Untereinheiten der zyklischen AMP‑abhängigen Proteinkinase bestimmt. Molecular and Cellular Biology 2006 Jun; 26(12):4586-600.
7. Zhong H, SuYang H, Erdjument-Bromage H, Tempst P, Ghosh S. Die transkriptionelle Aktivität von NF‑kappaB wird durch die IkappaB‑assoziierte PKAc‑Untereinheit über einen zyklisches AMP‑unabhängigen Mechanismus reguliert. Cell 1997 Mai 2; 89(3):413-24.
8. Zhang L, Duan CJ, Binkley C, Li G, Uhler MD, Logsdon CD, Simeone DM. Ein durch Transforming Growth Factor beta induzierter Smad3/Smad4‑Komplex aktiviert Proteinkinase A direkt. Molecular and Cellular Biology 2004 Mär; 24(5):2169-80.
9. Yang H, Lee CJ, Zhang L, Sans MD, Simeone DM. Regulation von durch Transforming Growth Factor beta induzierten Antworten durch Proteinkinase A in pankreatischen Azinuszellen. American Journal of Physiology. Gastrointestinal and Liver Physiology 2008 Jul; 295(1):G170-G178.