Proteinkinase C

Die Proteinkinase C ist ein Effektor im System der G‑Protein‑gekoppelten Rezeptoren. Im inaktiven Zustand ist sie wasserlöslich und frei im Zytosol vorhanden. Nach Aktivierung wird sie zu einem membrangebundenen Enzym. Die Aktivierung der Proteinkinase C ist lipidabhängig und erfordert das Vorhandensein des Membranlipids DAG; sie ist zudem Ca²⁺-abhängig und setzt einen Anstieg der Ca²⁺-Konzentration im Zytosol voraus. Wenn DAG in der Plasmamembran auftritt, bindet die im Zytosol befindliche Proteinkinase C an die Plasmamembran und wird anschließend durch Ca²⁺ aktiviert. Wie die Proteinkinase A gehört die Proteinkinase C zu den multifunktionalen Serin-/Threonin-Kinasen.

Struktur

Alle Subklassen der PKC bestehen aus einer einzelnen Peptidkette mit einem Molekulargewicht von etwa 67–83 kDa; ihre Struktur lässt sich in vier konservierte Regionen C1–C4 (mPKC und aPKC fehlt die C2‑Region) sowie fünf variable Zonen V1–V5 unterteilen. Die C1‑Region kann eine membranbindende Region darstellen und enthält ein cysteinreiches Tandemmotiv Cys‑X2‑Cys‑X13(14)‑Cys‑X2‑Cys‑X7‑Cys‑X7‑Cys (X steht für eine Aminosäure); diese Sequenz ist verwandt mit der konservierten Cystein‑Zink‑DNA‑Bindefinger‑Sequenz Cys‑X2‑Cys‑X13‑Cys‑X2‑Cys. Die Analyse von PKC‑Peptidfragmenten zeigte, dass diese Sequenz mit der Bindung von Phorbolestern und Diacylglycerol (DAG) assoziiert ist. Die C2‑Region steht im Zusammenhang mit der Ca²⁺-Sensitivität 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 umfasst eine ATP‑Bindesequenz Gly‑X‑Gly‑X‑X‑Gly‑Lys. Diese Region weist eine hohe Homologie zu den ATP‑Bindestellen anderer Proteinkinasen auf und wird auch als katalytische Region bezeichnet. Die C4‑Region enthält eine Substratbinderegion, die für die Erkennung phosphorylierter Substrate erforderlich ist. Es wurden mindestens 11 Subtypen identifiziert; ihre Strukturen sind teilweise konserviert, aber auch unterschiedlich, was zu funktioneller und regulatorischer Diversität führt. Neu synthetisierte PKC muss in der Regel einen programmierten Phosphorylierungsprozess der Activation‑loop (A‑loop), des Turn motif (TM) und des hydrophoben Motivs (HM) durchlaufen, um zu reifen und weitere aktivierte Funktionen zu erlangen.

Aktivierung

Die Aktivität der PKC hängt vom Vorhandensein von Calciumionen und Phospholipiden ab; jedoch wirken Calciumionen bei physiologischen Konzentrationen nur in Anwesenheit von Diacylglycerol (DAG), einem Zwischenprodukt des Phospholipidstoffwechsels, da DAG die Affinität der PKC zum Substrat erhöhen kann. Phosphatidylinositol‑4,5‑bisphosphat (PIP2) wird durch Phospholipase C hydrolysiert, wodurch DAG und IP3 entstehen. IP3 fördert die Freisetzung intrazellulärer Calciumionen und wirkt bei der Aktivierung der PKC synergistisch mit DAG. 12‑O‑Tetradecanoylphorbol‑13‑acetat (TPA; auch Phorbol‑12‑myristat‑13‑acetat, PMA) ist ein tumorpromovierender Wirkstoff, da seine Grundstruktur DAG ähnelt, DAG in der Konzentrationswirkung nachahmt, PKC aktiviert und die PKC‑Affinität auf 10⁻⁷ M erhöht. PKC ist der Rezeptor für TPA. Wenn TPA in die Zellmembran eingebaut wird, kann es PKC direkt anstelle von DAG aktivieren. Bei Behandlung von Zellen mit hohen TPA‑Dosen kann PKC in den Zielzellen rasch depletiert werden, was wiederum die Zellsignalübertragung beeinflusst. Verschiedene Chemikalien oder Antibiotika wirken hemmend auf die PKC‑Aktivität. Abhängig von den unterschiedlichen PKC‑Zielstellen der Inhibitoren lassen sich diese in zwei Gruppen einteilen: Eine Gruppe umfasst Inhibitoren, die auf die katalytische Region wirken; sie können an konservierte Aminosäurereste von Proteinkinasen binden und weisen daher keine ausgeprägte PKC‑Selektivität auf. Die andere Gruppe umfasst Inhibitoren, die auf die regulatorische Region wirken; sie können mit Ca²⁺, Phospholipiden und Diacylglycerol/Phorbolestern interagieren und besitzen dadurch eine höhere Selektivität.

Funktionen

Die Proteinkinase C ist ein zytoplasmatisches Enzym. In nicht stimulierten Zellen ist PKC überwiegend im Zytoplasma in einer inaktiven Konformation verteilt. Sobald ein Second Messenger vorliegt, wird PKC zu einem membrangebundenen Enzym. Sie kann Enzyme im Zytoplasma aktivieren und an der Regulation biochemischer Reaktionen mitwirken. Sie kann zudem auf Transkriptionsfaktoren im Zellkern einwirken und an der Regulation der Genexpression beteiligt sein. Ein vielseitiges Enzym.

Kontrolle des Glukosestoffwechsels

In Leberzellen wirken Proteinkinase C und Proteinkinase A zusammen, um die Glykogensynthase zu phosphorylieren, die Aktivität des glukosepolymerisierenden Enzyms zu hemmen und den Glykogenstoffwechsel zu fördern.

Die cAMP‑vermittelte Förderung des Glykogenabbaus und die Hemmung der Glykogensynthese werden durch die Bindung von Glukagonrezeptoren und β‑adrenergen Rezeptoren an die jeweiligen Hormone ausgelöst; die durch IP3, DAG und Ca²⁺ vermittelte Förderung des Glykogenabbaus und die Hemmung der Glykogensynthese werden durch α‑adrenerge Rezeptoren und Adrenalin ausgelöst. cAMP aktiviert die 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 dadurch verhindern, dass sich Zellen zu Muskelfasern differenzieren.

Beteiligung an der Regulation der Genexpression

Proteinkinase C kann auf mindestens zwei Wegen an der Kontrolle der Genexpression beteiligt sein. Ein Weg besteht darin, dass die Proteinkinase eine Phosphorylierungskaskade aktiviert, die die MAP‑Proteinkinase phosphoryliert. Die phosphorylierte MAP‑Proteinkinase phosphoryliert das genregulatorische Protein Elk‑1 und aktiviert es. Aktiviertes Elk‑1 bindet an eine kurze DNA‑Sequenz (Serum Response Element, SRE) und ko‑reguliert anschließend die Genexpression zusammen mit einem weiteren Faktor (Serum Response Factor, SRF). Ein weiterer Weg ist die Phosphorylierung von Proteinkinasen und die Aktivierung des inhibitorischen Proteins Iκ‑B, wodurch das genregulatorische Protein NF‑κ‑B freigesetzt wird, in den Zellkern eintritt und die Transkription spezifischer Gene aktiviert.

Beteiligung an der Langzeitdepression (LTD)

Die langfristige zerebelläre Hemmung (LTD) beruht darauf, dass die PKC‑Aktivierung indirekt oder direkt eine Phosphorylierung von AMPA‑Rezeptoren bewirkt, wodurch AMPA‑Rezeptoren in einen stabilen desensibilisierten Zustand überführt oder internalisiert werden, 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.