Proteinkinase C

Proteinkinase C ist ein Effektor im G-Protein-gekoppelten Rezeptorsystem. Sie ist im inaktiven Zustand wasserlöslich und frei im Zytosol vorhanden. Nach der Aktivierung wird sie zu einem membrangebundenen Enzym. Die Aktivierung der Proteinkinase C ist lipidabhängig und erfordert das Vorhandensein des Membranlipids DAG, welches ebenfalls Ca²⁺-abhängig ist und eine Erhöhung der Ca²⁺-Konzentration im Zytosol benötigt. Wenn DAG in der Plasmamembran erscheint, bindet die im Zytosol befindliche Proteinkinase C an die Plasmamembran und wird dann durch Ca²⁺ aktiviert. Wie die Proteinkinase A gehört auch die Proteinkinase 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 könnte eine membrangebundene Region sein und enthält eine cysteinreiche, zufällige Wiederholung Cys-X2-Cys-X13(14)-Cys-X2-Cys-X7-Cys-X7-Cys (X steht für eine Aminosäure), diese Sequenz ist ähnlich der konservierten Cystein-Zink-DNA-Bindefinger-Sequenz Cys-X2-Cys-X13-Cys-X2-Cys. Die Analyse des Peptidfragments von PKC zeigte, dass die Sequenz mit der Bindung von Phorbolester und Diacylglycerol (DAG) zusammenhängt. Die C2-Region steht im Zusammenhang mit der Ca²⁺-Empfindlichkeit der PKC. C1 und C2 unterscheiden sich strukturell von anderen Proteinkinasen und können Ca²⁺, Phospholipide, DAG und TPA binden. Daher werden die C1- und C2-Regionen auch als regulatorische Regionen bezeichnet. Die C3-Region enthält eine ATP-Bindungssequenz Gly-X-Gly-X-X-Gly-Lys. Diese Region weist eine hohe Homologie zu den ATP-Bindungsstellen anderer Proteinkinasen auf und wird auch als katalytische Region bezeichnet. Die C4-Region enthält eine Substratbindungsregion, die für die Erkennung phosphorylierter Substrate erforderlich ist. Es wurden mindestens 11 Subtypen gefunden, deren Strukturen teilweise konservativ und unterschiedlich sind, was zu ihrer funktionellen und regulatorischen Vielfalt führt. Neu synthetisierte PKC muss in der Regel den programmierten Phosphorylierungsprozess von Activation-loop (A-loop), Turn motif (TM) und hydrophobic motif (HM) durchlaufen, um zu reifen und weitere aktivierte Funktionen zu erhalten.

Aktivierung

Die Aktivität von PKC hängt vom Vorhandensein von Calciumionen und Phospholipiden ab, aber nur in Anwesenheit von Diacylglycerol (DAG), einem Zwischenprodukt des Phospholipidstoffwechsels, wirken Calciumionen bei physiologischen Konzentrationen, da DAG die Affinität von PKC zum Substrat 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 tumorfördernder Wirkstoff, da seine Grundstruktur DAG ähnelt, simuliert es DAG in der Konzentration, aktiviert PKC und erhöht die PKC-Affinität auf 10-7M. PKC ist der Rezeptor von TPA. Wenn TPA in die Zellmembran eingebaut wird, kann es PKC direkt anstelle von DAG aktivieren. Werden Zellen mit hohen Dosen von TPA behandelt, kann PKC in den Zielzellen schnell erschöpft werden, was wiederum die Zell-Signalübertragung beeinflusst. Verschiedene Chemikalien oder Antibiotika haben eine hemmende Wirkung auf die PKC-Aktivität. Je nach den unterschiedlichen PKC-Zielstellen der Inhibitoren können diese in zwei Gruppen eingeteilt werden: Eine Gruppe sind Inhibitoren, die auf die katalytische Region wirken und mit konservierten Resten von Proteinkinasen binden, daher keine offensichtliche Selektivität für PKC aufweisen; 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 besitzen.

Funktionen

Proteinkinase C ist ein zytoplasmatisches Enzym. In nicht stimulierten Zellen ist PKC hauptsächlich im Zytoplasma in einer inaktiven Konformation verteilt. Sobald ein Second Messenger vorhanden ist, wird PKC zu einem membrangebundenen Enzym. Sie kann Enzyme im Zytoplasma aktivieren und an der Regulation biochemischer Reaktionen teilnehmen. Sie kann auch auf Transkriptionsfaktoren im Zellkern wirken und an der Regulation der Genexpression mitwirken. Vielseitiges Enzym.

Kontrolle des Glukosestoffwechsels

In Leberzellen kooperieren Proteinkinase C und Proteinkinase A, um Glykogensynthase zu phosphorylieren, die Aktivität des Glukosepolymerisierungsenzyms zu hemmen und den Glykogenstoffwechsel zu fördern.

cAMP-vermittelte Förderung des Glykogenabbaus und Hemmung der Glykogensynthese werden durch die Bindung von Glukagonrezeptoren und β-adrenergen Rezeptoren an die entsprechenden Hormone verursacht; und IP3-, DAG- und Ca²⁺-vermittelte Förderung des Glykogenabbaus und der Glykogensynthese werden durch alpha-adrenerge Rezeptoren und Adrenalin ausgelöst. cAMP aktiviert Proteinkinase A, während IP3, DAG und Ca²⁺ die Proteinkinase C aktivieren.

Kontrolle der Zelldifferenzierung

Myogenin ist ein Transkriptionsfaktor, der eine Schlüsselrolle bei der Differenzierung von Muskelzellen spielt. In Myoblasten kann Proteinkinase C Myogenine phosphorylieren, die Fähigkeit der Myogenine zur DNA-Bindung hemmen und so verhindern, dass sich die Zellen zu Muskelfasern differenzieren.

Beteiligung an der Regulation der Genexpression

Proteinkinase C kann auf mindestens zwei Arten an der Kontrolle der Genexpression beteiligt sein. Eine Möglichkeit ist, dass die Proteinkinase ein phosphoryliertes Kaskadensystem aktiviert, das die MAP-Proteinkinase phosphoryliert. Die phosphorylierte MAP-Proteinkinase phosphoryliert das genregulatorische Protein Elk-1 und aktiviert es. Das aktivierte Elk-1 bindet an eine kurze DNA-Sequenz (genannt Serum Response Element, SRE) und reguliert dann gemeinsam mit einem weiteren Faktor (Serum Response Factor, SRF) die Genexpression. Ein anderer Weg ist die Phosphorylierung von Proteinkinasen und die Aktivierung des Inhibitorproteins Iκ-B, das das genregulatorische Protein NF-κ-B freisetzt, welches in den Zellkern eintritt und die Transkription spezifischer Gene aktiviert.

Beteiligung an der Langzeitdepression (LTD)

Die langanhaltende zerebelläre Hemmung (LTD) ist darauf zurückzuführen, dass die PKC-Aktivierung indirekt oder direkt zur Phosphorylierung von AMPA-Rezeptoren führt, wodurch diese in einen stabilen desensibilisierten Zustand überführt oder internalisiert werden, was zu LTD führt.

Referenz

1. Wilson CH; et al. Steatose hemmt den store-operierten Ca²⁺-Einstrom in Leberzellen und reduziert das ER-Ca²⁺ durch einen protein-kinase-C-abhängigen Mechanismus. The Biochemical Journal. 2015, 466 (2): 379-90.