Protein Kinase C

Protein-Kinase C ist ein Effektor im G-Protein-gekoppelten Rezeptorsystem. Es ist in einem inaktiven Zustand wasserlöslich und kommt frei im Zytosol vor. Nach der Aktivierung wird es zu einem membrangebundenen Enzym. Die Aktivierung von Protein-Kinase C ist lipidabhängig und erfordert das Vorhandensein des Membranlipids DAG, das ebenfalls Ca²⁺-abhängig ist und einen Anstieg der Ca²⁺-Konzentration im Zytosol erfordert. Wenn DAG in der Plasmamembran erscheint, wird Protein-Kinase C im Zytosol an die Plasmamembran gebunden und dann durch Ca²⁺ aktiviert. Wie die Protein-Kinase A gehört die Protein-Kinase C zu den multifunktionalen Serin- und Threonin-Kinasen.

Struktur

Alle Unterklassen von PKC bestehen aus einer einzelnen Peptidkette mit einem Molekulargewicht von etwa 67-83 kDa, und ihre Struktur kann in vier konservierte Regionen C1-C4 (mPKC und aPKC fehlen die C2-Region) und fünf variable Zonen V1-V5 unterteilt werden. Die C1-Region kann eine membrangebundenen Region sein und enthält ein cysteinreiches zufälliges Wiederholungsmuster Cys-X2-Cys-X13 (14) -Cys-X2-Cys-X7-Cys-X7-Cys (X steht für eine Aminosäure), diese Sequenz ist mit der konservierten Sequenz des Cystein-Zink-DNA-bindenden Fingers Cys-X2-Cys-X13-Cys-X2-Cys verwandt. Die Analyse des Peptidfragmentes von PKC ergab, dass die Sequenz mit der Bindung von Phorbolester und Diacylglycerol (DAG) in Verbindung steht. Die C2-Region ist mit der Empfindlichkeit von PKC gegenüber Ca²⁺ verbunden. C1 und C2 unterscheiden sich strukturell von anderen Protein-Kinasen und können Ca²⁺, Phospholipide, DAG und TPA binden. Daher werden die C1- und C2-Regionen auch als regulatorische Regionen bezeichnet. Die C3-Region umfasst eine ATP-bindende Sequenz Gly-X-Gly-X-X-Gly-Lys. Diese Region hat einen hohen Homologitätsgrad mit den ATP-bindenden Stellen anderer Protein-Kinasen, die auch als katalytische Region bekannt sind. Die C4-Region enthält eine Substrat-bindende Region, die für die Erkennung phosphorylierter Substrate erforderlich ist. Es wurden mindestens 11 Subtypen gefunden, und ihre Strukturen sind etwas konservativ und unterschiedlich, was zu ihrer funktionalen und regulatorischen Vielfalt führt. Neu synthetisierte PKC muss in der Regel den programmierten Phosphorylierungsprozess der Aktivierungsschleife (A-loop), der Drehmotivs (TM) und des hydrophoben Motivs (HM) durchlaufen, um zu reifen und weitere aktivierte Funktionen zu erhalten.

Aktivierung

Die Aktivität von PKC hängt von der Anwesenheit von Calciumionen und Phospholipiden ab, jedoch nur in Anwesenheit von Diacylglycerol (DAG), einem Zwischenprodukt des Phospholipidstoffwechsels, wirken Calciumionen in physiologischen Konzentrationen, da DAG die Affinität von PKC für Substrate erhöhen kann. Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) wird durch Phospholipase-C hydrolysiert, um DAG und IP3 zu erzeugen. IP3 fördert die Freisetzung von intrazellulären Calciumionen und wirkt synergistisch mit DAG bei der Aktivierung von PKC. 12-o-Tetradecanoylphorbol-13-acetat (TPA; oder Phorbol-12-myristat-13-acetat, PMA) ist ein tumorpromotierendes Mittel, da seine Grundstruktur der von DAG ähnelt, DAG simuliert, PKC aktiviert und die PKC-Affinität auf 10-7M erhöht. PKC ist der Rezeptor von TPA. Wenn TPA in die Zellmembran eingefügt wird, kann es PKC direkt aktivieren, anstatt DAG. Wenn Zellen mit hohen Dosen von TPA behandelt werden, kann PKC in den Zielzellen schnell erschöpft werden, was wiederum die Zellsignalgebung beeinflusst. Eine Vielzahl von Chemikalien oder Antibiotika hat eine hemmende Wirkung auf die PKC-Aktivität. Je nach den unterschiedlichen PKC-Zielorten der Inhibitoren können Inhibitoren in zwei Gruppen unterteilt werden: Eine Gruppe sind Inhibitoren, die auf die katalytische Region wirken, und sie können mit Protein-Kinasen konserviert werden. Rückstände binden, sodass es keine offensichtliche Selektivität für PKC gibt; die andere Gruppe sind Inhibitoren, die auf die regulatorische Region wirken, die mit Ca²⁺, Phospholipiden und Diacylglycerol/Phorbolestern kombiniert werden können und somit eine höhere Selektivität aufweisen.

Funktionen

Protein-Kinase C ist ein zytoplasmatisches Enzym. In unstimulierten Zellen ist PKC hauptsächlich in inaktiver Konformation im Zytoplasma verteilt. Sobald ein zweiter Botenstoff vorhanden ist, wird PKC zu einem membrangebundenen Enzym. Es kann Enzyme im Zytoplasma aktivieren und an der Regulation biochemischer Reaktionen teilnehmen. Es kann auch auf Transkriptionsfaktoren im Zellkern wirken und an der Regulation der Genexpression teilnehmen. Vielseitiges Enzym.

Kontrolle des Glukosestoffwechsels

In Leberzellen arbeiten Protein-Kinase C und Protein-Kinase A zusammen, um Glykogensynthase zu phosphorylieren, die Aktivität des Glukose-polymerisierenden Enzyms zu hemmen und den Glykogenstoffwechsel zu fördern.

cAMP-vermittelte Förderung des Glykogenabbaus und Hemmung der Glykogensynthese werden durch die Kombination von Glukagonrezeptoren und β-adrenergen Rezeptoren mit den entsprechenden Hormonen verursacht; und IP3, DAG und Ca²⁺-vermittelte Förderung des Glykogenabbaus wird durch alpha-adrenerge Rezeptoren und Adrenalin verursacht. cAMP aktiviert Protein-Kinase A, während IP3, DAG und Ca²⁺ Protein-Kinase C aktivieren.

Kontrolle der Zell-Differenzierung

Myogenin ist ein Transkriptionsfaktor, der eine Schlüsselrolle bei der Differenzierung von Muskelzellen spielt. In Myoblasten kann Protein-Kinase C Myogenine phosphorylieren, die Fähigkeit der Myogenine zur Bindung an DNA hemmen und somit verhindern, dass sich die Zellen in Muskelzellen differenzieren.

Beteiligung an der Regulation der Genexpression

Protein-Kinase C kann auf mindestens zwei Arten an der Kontrolle der Genexpression teilnehmen. Eine Möglichkeit ist, dass die Protein-Kinase ein phosphoryliertes Kaskadensystem aktiviert, das MAP-Protein-Kinase phosphoryliert. Phosphorylierte MAP-Protein-Kinase phosphoryliert das genregulierende Protein Elk-1 und aktiviert es. Aktiviertes Elk-1 bindet an eine kurze DNA-Sequenz (genannt Serumantwort-Element, SRE) und reguliert dann gemeinsam mit einem anderen Faktor (einem Serumantwortfaktor, SRF) die Genexpression. Ein anderer Ansatz ist die Phosphorylierung von Protein-Kinasen und die Aktivierung des hemmenden Proteins Iκ-B, das das genregulierende Protein NF-κ-B freisetzt und in den Zellkern eintritt, um die Transkription spezifischer Gene zu aktivieren.

Beteiligung an der langfristigen Hemmung (LTD)

Die langfristige zerebelläre Hemmung von LTD ist auf die Aktivierung von PKC zurückzuführen, die indirekt oder direkt die Phosphorylierung von AMPA-Rezeptoren verursacht, was die AMPA-Rezeptoren in einen stabilen desensibilisierten Zustand umwandelt oder die Rezeptoren internalisiert, was zu LTD führt.

Referenz

1. Wilson CH; et al. Steatosis inhibits liver cell store-operated Ca²⁺ entry and reduces ER Ca²⁺ through a protein kinase C-dependent mechanism. The Biochemical Journal. 2015, 466 (2): 379-90.