Proteinkinasen sind Enzyme, die in unserem Körper vorkommen und für die Katalyse von Phosphorylierungsreaktionen verantwortlich sind. Die Phosphorylierung ist ein Beispiel für eine kovalente Modifikation und stellt einen Mechanismus dar, den unsere Zellen im Wesentlichen zur Regulierung und Kontrolle der Enzymaktivität und der Funktionalität von Proteinen nutzen. Eine Form der Proteinkinase ist die cAMP-abhängige Proteinkinase, auch bekannt als Proteinkinase A oder PKA.

Während Adrenalin in Stresssituationen durch unser Herz-Kreislauf-System transportiert wird, regt es im Wesentlichen unsere Zellen dazu an, ATP-Moleküle in ein anderes Molekül umzuwandeln, das als cyclisches Adenosinmonophosphat oder einfach cAMP bekannt ist. cAMP ist ein cyclisches Nukleotid, das als intrazellulärer und in einigen Fällen extrazellulärer „Second Messenger“ dient, der die Wirkung vieler Peptid- oder Aminhormone vermittelt und durch verschiedene Rezeptoren wie GPCRs, darunter Alpha- und Beta-ADRs (adrenerge Rezeptoren), CRHR (Corticotropin-Releasing-Hormon-Rezeptor), GcgR (Glucagon-Rezeptor), Smo (Smoothened) usw. reguliert wird. Es ist auch ein allosterischer Regulator der Proteinkinase A und bindet an die inaktive Version der Proteinkinase A, wodurch diese aktiviert wird. Die aktivierte Proteinkinase A ist dann für die Aktivierung vieler verschiedener Enzymtypen durch den Prozess der Phosphorylierung verantwortlich und phosphoryliert dabei 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, zum Beispiel Glycin, und Y eine beliebige große hydrophobe Aminosäure ist, dann ist dies die Stelle, an der die Proteinkinase A bindet und das Ziel-Serin oder -Threonin phosphoryliert. Das erste Arginin in der Konsensussequenz kann durch Lysin ersetzt werden, was ebenfalls die Bindung der Proteinkinase A ermöglicht. Die Affinität der Sequenz mit dem ausgetauschten Rest ist jedoch nicht so hoch wie im Fall, in dem beide Reste Arginin sind. Dies kann im Wesentlichen die Aktivität und Funktionalität des Zielsubstratmoleküls verändern.

PKA besteht aus zwei Typen von Untereinheiten: einer katalytischen Untereinheit, die die aktive Stelle enthält, und einer regulatorischen Untereinheit, die die allosterische Bindungsstelle für cyclisches AMP besitzt. Die katalytische Untereinheit führt die Phosphatübertragungsreaktion aus. Die regulatorische Untereinheit erkennt den Spiegel von cyclischem AMP und schaltet die katalytischen Untereinheiten je nach diesem Spiegel an oder aus. Bei niedrigen cAMP-Konzentrationen bindet ein Dimer der regulatorischen Untereinheiten an zwei katalytische Untereinheiten und bildet einen inaktiven Komplex. Steigt der cAMP-Spiegel, bindet es 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 Adrenalin freigesetzt und stimuliert die Produktion von cyclischem Adenosinmonophosphat (cAMP), das ein allosterischer Effektor der PKA ist. Wenn cAMP an alle regulatorischen Bindungsstellen bindet, führt dies zu einer Konformationsänderung, die das Dissoziieren der regulatorischen von den katalytischen Abschnitten ermöglicht. Die aktiven Stellen der katalytischen Untereinheiten sind im inaktiven PKA-Komplex durch eine Pseudosubstrat-Sequenz, die auf der regulatorischen Untereinheit liegt, blockiert. Sobald die aktiven Stellen frei sind, katalysieren diese katalytischen Untereinheiten die Phosphorylierung verschiedener Zielenzyme.

Was die Proteinkinase-A-Familie betrifft, so gibt es mehrere Gene, die Untereinheiten des PKA-Komplexes kodieren. PKA-cat alpha (PKACa) und PKA-cat beta (PKACb) sowie PKA-cat gamma (PKACg) kodieren zwei katalytische Untereinheiten der inaktiven PKA, die als tetramerer Komplex vorliegt. Die beiden anderen regulatorischen Untereinheiten der inaktiven PKA werden von PKAR1A und PRKAR1B oder PRKAR2A und PKAR2B kodiert.

Darüber hinaus spielt die Proteinkinase A eine Schlüsselrolle bei einer Vielzahl zellulärer Prozesse. Sie ist an der Regulation des Zellzyklus und der Zellproliferation, des Stoffwechsels, der Übertragung von Nervenimpulsen, der Umgestaltung des Zytoskeletts, der Muskelkontraktion, dem Zellüberleben und anderen Zellprozessen beteiligt. PKA kann sich je nach Typ der regulatorischen PKA-Untereinheiten (PKA-reg) im Zytoplasma oder an zellulären Strukturen und Organellen befinden. PKA wird durch spezifische Proteine, sogenannte A-Kinase-Ankerproteine (AKAPs), an bestimmte Orte innerhalb der Zelle verankert. Darüber hinaus können AKAPs an der Regulation der PKA und/oder an der Steuerung der PKA-Aktivität beteiligt sein. Das ribosomale Protein S6 Kinase 90kDa Polypeptid 1 (p90RSK1) kann die Fähigkeit der PKA regulieren, an cAMP zu binden. Inaktives p90RSK1 interagiert mit der regulatorischen Typ-I-Untereinheit der PKA. Im Gegensatz dazu interagiert aktives p90RSK1 mit der katalytischen Untereinheit der PKA (PKA-cat). Die Bindung von p90RSK1 an PKA-reg verringert 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, verringert. Zusätzlich kann PKA-cat durch 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 gibt es zwei cAMP-unabhängige Wege der PKA-Regulation. Einer davon ist die nukleäre Faktor-kappa-Leichtketten-Gen-Enhancer-in-B-Zellen-Inhibitor-(I-kB)-abhängige Kaskade. Ein bestimmter Anteil von PKA-cat existiert in einem Komplex mit I-kB alpha und beta (NFKBIA und NFKBIB). Unter basalen Bedingungen halten NFKBIA und NFKBIB PKA-cat alpha im inaktiven Zustand, vermutlich indem sie dessen ATP-Bindungsstelle maskieren. Die Phosphorylierung und der Abbau von NFKBIA und NFKBIB führen zur Freisetzung und Aktivierung von PKA-cat alpha. Dieser Weg könnte eine allgemeine Antwort auf vasoaktive Peptide darstellen. Der andere Weg wird über den Transforming-Growth-Factor-beta-(TGF-beta)/SMAD-Familienmitglied 3 und 4 (SMAD3 und SMAD4) realisiert. Aktiviertes SMAD3 bindet an SMAD4, und dieser Komplex bindet an PKA-reg. Dies führt zur Freisetzung von PKA-cat und zur Aktivierung der nachgeschalteten Zielgene.

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