Proteinkinasen sind Enzyme, die sich in unserem Körper befinden und für die Katalyse von Phosphorylierungsreaktionen verantwortlich sind. Phosphorylierung ist ein Beispiel für eine kovalente Modifikation und dies ist ein Mechanismus, den unsere Zellen verwenden, um die Aktivität von Enzymen und die Funktionalität von Proteinen zu regulieren und zu steuern. Eine der Proteinkinasen ist die cAMP-abhängige Proteinkinase, auch bekannt als Proteinkinase A oder PKA.

Wenn Adrenalin durch unser kardiovaskuläres System reist, insbesondere in stressigen Situationen, stimuliert es unsere Zellen, ATP-Moleküle in ein anderes Molekül umzuwandeln, das als cyclisches Adenosinmonophosphat oder einfach cAMP bekannt ist. cAMP ist ein zyklisches Nukleotid, das als intrazellulärer und in einigen Fällen extrazellulärer „zweiter Botenstoff“ fungiert, der die Wirkung vieler Peptid- oder Aminhormone vermittelt, die von mehreren Rezeptoren wie GPCRs reguliert werden, darunter Alpha- und Beta-ADRs (adrenerge Rezeptoren), CRHR (Corticotropin-Releasing-Hormon-Rezeptor), GcgR (Glukagon-Rezeptor), Smo (Smoothened) usw. Es ist auch ein allosterischer Regulator der Proteinkinase A und bindet an die inaktive Version der Proteinkinase A und aktiviert diese, wodurch sie für die Aktivierung vieler verschiedener Arten von Enzymen über den Prozess der Phosphorylierung verantwortlich wird, und sie phosphoryliert eine von zwei Arten von Resten, entweder die Serinreste oder die Threoninreste.

Wenn das Substratmolekül die Konsensus-Aminosäuresequenz -Arginin-Arginin-X-Serin oder Threonin-Y- enthält, wobei X im Grunde jede kleine Aminosäure wie Glycin und Y im Grunde jede große hydrophobe Aminosäure ist, ist dies im Grunde der Ort, an dem die Proteinkinase A binden wird und was sie an dieser Zielstelle, dem Serin oder Threonin, phosphorylieren wird. Das erste Arginin in der Konsensussequenz kann in Lysin geändert werden, was ebenfalls die Bindung der Proteinkinase A ermöglicht. Aber die Affinität der restveränderten Sequenz wird nicht so gut sein wie im Fall, wenn diese beiden Argininreste sind. Es kann im Grunde die Aktivität und die Funktionalität dieses Zielsubstratmoleküls verändern.

PKA besteht aus zwei Arten von Untereinheiten, einer katalytischen Untereinheit, die die aktive Stelle enthält, und einer regulatorischen Untereinheit, die die allosterische Stelle enthält, die an das cyclische AMP bindet. Die katalytische Untereinheit führt die Phosphat-Additionsreaktion durch. Die regulatorische Untereinheit erkennt den Zyklus des cyclischen AMPs und schaltet dann die katalytischen Untereinheiten basierend auf diesem Niveau ein oder aus. Wenn die cAMP-Spiegel niedrig sind, bindet ein Dimer der regulatorischen Untereinheiten an zwei Kopien der katalytischen Untereinheit und bildet einen inaktiven Komplex. Wenn die cAMP-Spiegel steigen, bindet es an die regulatorische Untereinheit und setzt die katalytische Untereinheit in aktiver Form frei. Genauer gesagt, in Abwesenheit eines allosterischen Effektors besteht die quartäre Struktur der PKA aus zwei katalytischen Untereinheiten und zwei regulatorischen Untereinheiten (R2C2-Komplex). Unter stressigen Bedingungen wird Adrenalin freigesetzt und stimuliert die Produktion von cyclischem Adenosinmonophosphat (cAMP), das ein allosterischer Effektor der PKA ist. Wenn cAMP an all diese regulatorischen Stellen bindet, führt dies zu einer konformationellen Änderung, die es den regulatorischen Abschnitten ermöglicht, sich von den katalytischen Abschnitten zu trennen. Die aktiven Stellen der katalytischen Untereinheiten wurden durch die Aminosäuresequenz besetzt, die als Pseudo-Substratsequenz bekannt ist und auf der regulatorischen Untereinheit im inaktiven PKA-Komplex gefunden wird. Sobald die aktiven Stellen frei sind, katalysieren diese katalytischen Untereinheiten all diese verschiedenen Arten von Zielenzymen über den Prozess der Phosphorylierung.

Was die Familie der Proteinkinase A betrifft, 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 tetramere Komplexe existieren. Die anderen beiden regulatorischen Untereinheiten der inaktiven PKA werden von PKAR1A und PRKAR1B oder PRKAR2A und PKAR2B kodiert.

Zudem spielt die Proteinkinase A eine Schlüsselrolle in einer Reihe von zellulären Prozessen. Sie ist an der Regulation des Zellzyklus und der Proliferation, dem Stoffwechsel, der Übertragung von Nervenimpulsen, der Umgestaltung des Zytoskeletts, der Muskelkontraktion, dem Überleben von Zellen und anderen Zellprozessen beteiligt. PKA kann sich im Zytoplasma befinden oder mit zellulären Strukturen und Organellen assoziiert sein, abhängig von der Art der regulatorischen PKA-Untereinheiten (PKA-reg). PKA ist an spezifischen Orten innerhalb der Zelle durch spezifische Proteine, die A-Kinase-Ankerproteine (AKAPs) genannt werden, verankert. Darüber hinaus können AKAPs an der Regulation von PKA und/oder an der Steuerung der PKA-Aktivität beteiligt sein. Das ribosomale Protein S6 Kinase 90kDa Polypeptid 1 (p90RSK1) kann die Fähigkeit von PKA regulieren, an cAMP gebunden zu sein. Inaktives p90RSK1 interagiert mit der regulatorischen PKA-Typ I Untereinheit. Umgekehrt 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 verringert, PKA zu stimulieren. Darüber hinaus kann PKA-cat durch 3-Phosphoinositid-abhängige Proteinkinase-1 (PDK-1), Inhibitoren der Proteinkinase (cAMP-abhängig, katalytisch) (PKI), Proteinkinase-1, regulatorische (Inhibitor) Untereinheit 1B (DARPP-32) reguliert werden.

Außerdem gibt es zwei cAMP-unabhängige Wege der PKA-Regulation. Der eine ist der I-kappa-B-abhängige Kaskade des nuklearen Faktors des kappa-leichten Polypeptidgen-Enhancers in B-Zellen (I-kB). Ein bestimmter Pool 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 seine ATP-Bindungsstelle maskieren. Phosphorylierung und Abbau von NFKBIA und NFKBIB führen zu einer Freisetzung und Aktivierung von PKA-cat alpha. Dieser Weg könnte eine allgemeine Reaktion auf vasoaktive Peptide sein. Der andere wird über den Transformationswachstumsfaktor-beta (TGF-beta)/SMAD-Familienmitglied 3 und 4 (SMAD3 und SMAD4) realisiert. Aktiviertes SMAD3 bindet an SMAD4, und dieser Komplex bindet an die PKA-reg. Dies führt zur Freisetzung von PKA-cat und zur Aktivierung der nachgeschalteten Zielgene.

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