Proteinkinase A

Proteinkinase A

Bezeichner
Gen-Name(n) PRKACA, PRKACB, PRKACG, PRKAR1A, PRKAR1B, PRKAR2A, PRKAR2B
Enzymklassifikation
EC, Kategorie 2.7.11.11  Proteinkinase
Reaktionsart Phosphorylierung
Substrat ATP + Protein
Produkte ADP + Phosphoprotein

Die Proteinkinase A (PKA) ist eine cAMP-abhängige Proteinkinase und zählt zu den Serin/Threonin-Kinasen. Sie ist im Vergleich zu anderen Proteinkinasen am besten untersucht und charakterisiert. PKA ist an der Regulation im Energiestoffwechsel (Glykogen, Lipiden, Kohlenhydrate) beteiligt. Außerdem spielt PKA eine wichtige Rolle bei der Modifikation von Synapsen und der Kontrolle bei Ionenkanälen. Schließlich werden über PKA spezielle Transkriptionsfaktoren aktiviert, das so genannte cAMP-responsive element-binding proteins (CREB). Durch einen Coaktivator (CREB-binding protein) wird die Transkription von Zielgenen ermöglicht, die über ein cAMP-Antwortelement (cAMP responsive element) verfügen.

Namensgebend ist die Aktivierung durch cyclisches AMP (cAMP), einen second messenger, dessen intrazelluläre Bildung durch eine Reihe hydrophiler Hormone ausgelöst wird.

Aufbau

In höher entwickelten Eukaryoten liegt das Enzym in Abwesenheit von cAMP als ein Tetramer vor, bestehend aus zwei verschiedenen Protein-Untereinheiten. Damit ist es ein sogenanntes Heterotetramer (R2C2). Der Komplex besteht aus

  • zwei regulatorischen Untereinheiten R mit hoher Affinität für cAMP mit einer Masse von je 43–45 kDa und
  • zwei katalytischen Untereinheiten C mit Bindungsplätzen für Substrat und Coenzym (ATP) mit einer Masse von je 40 kDa.

In niederen, unizellulären Eukaryoten, beispielsweise in Backhefe, im Schleimpilz Dictyostelium discoideum oder im Malariaereger Plasmodium falciparum, liegt PKA als Heterodimer aus je einer R- und C-Untereinheit vor.[1]

In Säugern wurden vier Isoformen der R-Untereinheit (RIα, RIβ, RIIα und RIIβ) sowie drei Typen der C-Untereinheit (Cα, Cβ und Cγ) nachgewiesen. Durch die verschiedenen Isoformen können sich sehr viele unterschiedliche Heterotetramere formen. Diese Vielfältigkeit trägt zur Spezifität und Varibalität beim PKA-Signalweg in der Zelle bei.

Die R-Untereinheiten haben alle einen ähnlichen Aufbau, und unterscheiden sich in der Gesamtlänge. Am N-Terminus ist eine Dimersierungsdomäne lokalisiert, durch die sich beide R-Untereinheiten kontaktieren. Zudem haben die so genannten A-Kinase-Ankerproteine (AKAP) die Möglichkeit, durch diese N-terminalen Domäne an die PKA zu binden. Am C-Terminus finden sich zwei cAMP-Bindedomänen, die die Bindung von cAMP ermöglichen. Zwischen N- und C-Terminus liegt eine autoinhibitorische Sequenz. Sie dient als Erkennungssequenz für die C-Untereinheit. Dadurch wird die Substratbindestelle der C-Untereinheit so lange blockiert, bis die C-Untereinheit nach Aktivierung von cAMP freigesetzt wird.

Der N-Terminus der C-Untereinheit ist mit Myristinsäure modifiziert. Die Bedeutung hierfür ist jedoch noch nicht verstanden.

Aktivierung und Wirkungen

(A): Aktivierung der Proteinkinase A höherer Eukaryoten. Genereller Aktivierungsmechanismus durch cAMP. Die freien C-Untereinheiten phosporylieren eine Reihe von Substraten an spezifischen Serin- bzw. Threoninresten unter Verbrauch von ATP. (B) Ein Substrat der PKA ist die Phosphodiesterase (PDE). Nach Phosphorylierung liegt diese in einem aktiven Zustand vor. Infolgedessen katalysiert die PDE die Hydrolyse von cAMP zu AMP, so dass die Aktivität der PKA reduziert wird oder erlischt (feedback control).

In höheren Eukaryoten ist der R2C2-Komplex inaktiv, da die regulatorischen Untereinheiten das katalytische Zentrum der C-Untereinheit blockieren. Die kooperative Bindung zweier Moleküle cAMP an die R-Untereinheiten führt durch Dissoziation des Komplexes in ein R2-Komplex und zwei aktive C-Untereinheiten. Der Enzymkomplex wird bereits durch cAMP-Konzentrationen in der Größenordnung von 10 nM (10−9 mol·l−1) aktiviert. Durch Binden von cAMP an die R-Untereinheit wird eine große Konformationsänderung ausgelöst. In höheren Eukaryonten werden vier, in niederen zwei Moleküle cAMP gebunden. In dessen Folge wird die Affinität zwischen der R- und der C-Untereinheit um den Faktor 10000 bis 100000 gesenkt, so dass die C-Untereinheiten abdissoziieren können. Die freien C-Untereinheiten können nun eine Reihe von Substraten phosphorylieren, die PKA ist aktiv. Hierbei werden Substrate an spezifischen Threonin- bzw. Serinresten phosphoryliert, indem die γ-Phosphatgruppe ATPs transferiert wird. Die Aktivität der PKA erstreckt sich bei cytosolischen Substraten mehrere Minuten. Wenn die PKA Transkriptionsfaktoren im Zellkern phosphoryliert, verlängert sich ihre Wirkungsdauer um mehrere Stunden.

PKA hat eine Vielzahl von Wirkungen sowohl im Cytosol einer Zelle (Interkonvertierung von Enzymen) als auch in deren Kern (Aktivierung von Transkriptionsfaktoren). Im Cytosol vermittelt sie sowohl den Glycogen-(Glykogenolyse) als auch den Lipidabbau (Lipolyse).

Die Hydrolyse der Fette (Triglyceride) wird durch PKA-regulierte Lipasen kontrolliert. Gleichzeitig wird ein Schrittmacherenzym der Fettsäuresynthese, die Acetyl-CoA-Carboxylase, inhibiert, was die lipolytische Wirkung des cAMP noch steigert.

Die Proteinesequenz, die Ziel einer Phosphorylierung durch die PKA ist, hat die Konsensussequenz Arg-Arg-x-Ser-x, wobei x bevorzugt eine kleine, hydrophobe Aminosäure ist.

Die Untereinheiten der PKA treten jeweils in verschiedenen Formen auf, z. B.

letztere unterscheidet sich von der RI-Isoform durch ihre Autophosphorylierbarkeit. Die RII-Untereinheit kann an einer Stelle durch die C-Untereinheit des Holoenzyms (R2C2) phosphoryliert werden. Dies hebt aber nicht den inaktiven Status auf.

Die C-Untereinheit weist zwei spezifische Serin/Threonin-Phosphorylierungsstellen. Diese sind Threonin 197 und Serin 338, ersteres befindet sich in der Aktivierungsschleife der C-Untereinheit. Thr 197 ist Ziel einer Autophosphorylierung. Für die katalytische Aktivität der C-Untereinheit sind drei Aminosäuren wichtig: Aspartat 166, Lysin 168 und Asparat 171.[1] Diese drei Aminosäuren sind in allen Serin-/Threoninproteinkinasen hochkonserviert erhalten.

Regulation

Die PKA wird nicht nur durch die Menge an cAMP reguliert. Es ist bekannt, dass sie auch durch ihren subzellulären Aufenthaltsort reguliert werden kann. So assoziiert die PKA, die eine RII-Untereinheit besitzt, ans Cytoskelett und mit dem Golgiapparat. Vermittelt wird dies durch ein spezielles Protein, dem Proteinkinase A-Ankerprotein (protein kinase A anchor protein).

Es gibt außerdem noch einen feedback Kontrollmechanismus. Hierbei aktiviert die PKA eine cAMP-Phosphodiesterase PDE (vgl. Bild (B)). Die aktivierte PDE hydrolysiert cAMP zu AMP. Dadurch wird die Aktivität der PKA selbst heruntergefahren oder kommt zum Erliegen. Das ist v. a. dann nützlich, wenn kein extrazelluläres Signal mehr zur Bildung von cAMP vorliegt. Unter diesen Umständen soll dieser second messenger schnell inaktiviert werden.

Literatur

  • Gerhard Krauss: Biochemistry of Signal Transduction and Regulation. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA; 4. erweiterte und verbesserte Auflage 2008; ISBN 978-3-527-31397-6, S. 327ff.
  • Shemarova, IV. (2009): cAMP-dependent signal pathways in unicellular eukaryotes. In: Crit Rev Microbiol 35(1); 23–42; PMID 19514907; doi:10.1080/10408410802645646

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 Shemarova, IV. (2009): cAMP-dependent signal pathways in unicellular eukaryotes. In: Crit Rev Microbiol 35(1); 23–42; PMID 19514907; doi:10.1080/10408410802645646

Siehe auch

Die News der letzten Tage

19.05.2022
Virologie | Parasitologie | Insektenkunde
Neue Virusvariante bedroht Bienengesundheit weltweit
Eine gefährliche Variante des Krüppelflügelvirus ist weltweit auf dem Vormarsch: Das Virus befällt Honigbienen, wird von der Varroamilbe übertragen und sorgt dafür, dass ihre Flügel verkümmern und die Tiere sterben.
17.05.2022
Evolution | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Leben am Vulkan – in zwei Schritten zur Anpassung
Ein internationales Team hat eine Wildpopulation der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) untersucht, die sich am Fuß eines Stratovulkans angesiedelt hat.
18.05.2022
Klimawandel | Insektenkunde | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Insektensterben: Was stört die Kolonie-Entwicklung der Steinhummel?
Bestäubende Insekten sind für die Biodiversität und die landwirtschaftliche Produktion unersetzlich - doch seit Jahren geht der Bestand an Bienen, Hummeln und weiteren Insekten stark zurück.
18.05.2022
Biodiversität | Insektenkunde | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Insektenvielfalt: Öko-Landbau oder Blühstreifen besser?
Wie wirksam Agrarumweltmaßnahmen für die biologische Vielfalt sind, hängt von verschiedenen Faktoren und dem jeweiligen Blickwinkel ab.
18.05.2022
Ethologie | Primatologie
Wie flexibel Orang-Utan-Mütter mit ihrem Nachwuchs kommunizieren
Ein Forschungsteam hat Mutter-Kind-Interaktionen bei Orang-Utans untersucht und dabei besonderes Augenmerk auf individuelle Unterschiede und Flexibilität in den Kommunikationsstrategien von Orang-Utan-Müttern gelegt.
17.05.2022
Ökologie | Biodiversität | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Ökologie: Fließgewässer stehen weltweit schlecht da
Landwirtschaft, Habitatverlust oder Abwässer – menschgemachte Stressoren wirken sich negativ auf die biologische Vielfalt in Bächen und Flüssen aus.
17.05.2022
Ethologie | Primatologie
Schimpansen kombinieren Rufe zu einer Vielzahl von Lautsequenzen
Verglichen mit dem menschlichen Sprachgebrauch erscheint Tierkommunikation einfach, doch unklar blieb bisher, wie sich unsere Sprache aus einem so einfachen System entwickelt haben könnte.
17.05.2022
Anatomie | Taxonomie | Paläontologie
Unbekannte Delfinarten aus dem Schweizer Mittelland identifiziert
Vor 20 Millionen Jahren schwammen Delfine dort, wo heute das Schweizer Mittelland liegt.
12.05.2022
Physiologie | Neurobiologie
Das bewusstlose Gehirn ist alles andere als stumm
Die Grosshirnrinde gilt als zentrale Hirnregion für bewusste Verarbeitung: Während einer Vollnarkose wird dieser Bereich jedoch nicht lahmgelegt.
12.05.2022
Ökologie | Insektenkunde
Was Heuschrecken fressen
Über die Nahrungsnetze pflanzenfressender Insekten ist nicht viel bekannt: Ein Team vom Biozentrum forscht nach – in Unterfranken ebenso wie in den Berchtesgadener Alpen.
12.05.2022
Mykologie | Biodiversität
Artenschutz für Pilze
Eines vorweg: Es geht nicht um die großen Speisepilze, sondern um die mikroskopisch kleinen Vertreter im Wasser.
11.05.2022
Evolution | Biochemie
Der Ursprung des Lebens: Eine neue Weltsicht
Chemiker schlagen ein neues Konzept vor, eine Mischung aus RNA-Molekülen und Peptiden brachten die Evolution hin zu komplexeren Lebensformen in Gang.
10.05.2022
Genetik
Für Weinliebhaber: Roter Riesling entstand aus Weißem Riesling
Die Erbinformation für die Riesling-Rotfärbung ist auf dem Chromosomensatz des weißbeerigen Elter "Weißer Heunisch" verortet.