Proteinkinase

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Proteinkinasen
EC-Nummer	2.7.xx.xx
Kategorie	Kinasen (Transferasen)
Reaktionsart	Phosphorylierung
Substrate	Proteine
Produkte	Phospho-Proteine

Proteinkinasen sind Enzyme, die den Transfer einer Phosphatgruppe von einem Donor (meist ATP) auf die Seitenketten-Hydroxyl-(OH-)Gruppe einer Aminosäure katalysieren. Kinasen sind daher Phosphoryltransferasen.

Die Proteinphosphorylierung ist ein wichtiger post-translationaler Kontrollmechanismus in der Signaltransduktion der Zelle. Hierzu gehört die Regulation der Aktivität von Enzymen oder Transkriptionsfaktoren. Die Phosphorylierung kann durch Ladungsveränderungen das Zielprotein aktivieren/inhibieren oder seine subzelluläre Lokalisierung determinieren. Die physiologischen Auswirkungen der Proteinphosphorylierung hängen vom jeweiligen Substrat der Kinase ab.

Die meisten Proteinkinasen phosphorylieren entweder die Aminosäuren Serin/Threonin oder aromatische Tyrosine. Es gibt jedoch auch bispezifische Proteinkinasen, die sowohl Serin/Threonin als auch Tyrosin-Reste phosphorylieren können.

Mehr als 500 Gene des menschlichen Genoms kodieren Proteinkinasen, womit diese Proteingruppe die zweithöchste Mitgliederzahl aufweist. Die Summe aller Kinasen einer Zelle werden auch Kinom genannt (in Anlehnung an das Genom). Disfunktionen von Proteinkinasen sind die Ursache von zahlreichen Erkrankungen. Damit sind Proteinkinasen attraktive molekulare Ziele medikamentöser Intervention und werden von der pharmazeutischen Industrie intensiv erforscht. "Spezifische" Inhibitoren von Proteinkinasen werden erfolgreich bei der Krebstherapie eingesetzt (siehe z.B. Imatinib in der Behandlung der Chronisch myeloischen Leukämie).

Proteinkinasen selbst können reguliert werden durch:

Kofaktoren/Sekundäre Botenstoffe (Kalzium, PIP3, cAMP et cetera)
Aktivator- und Inhibitorproteine
Pseudosubstrate
- Autoinhibition (ein Teil der Peptidkette der Proteinkinase agiert als Pseudosubstrat)
- Ligandenbindung an regulatorische Untereinheiten
Phosphorylierung im aktiven Zentrum durch
- andere Proteinkinasen (Trans-phosphorylierung)
- sich selbst (Cis-phosphorylierung/Auto-phosphorylierung)
subzellulärer Lokalisierung in der Zelle

[Bearbeiten] Serin/Threonin-Kinasen

Diese Proteinkinasen (EC 2.7.1.37) phosphorylieren die Hydroxylgruppen (OH-Gruppen) von Serin- und Threoninresten. Diese Kinasen werden reguliert durch:

cAMP oder cGMP
Diacylglycerol
Ca²⁺ bzw. Calmodulin
PIP3

Diese Kinasen erkennen nicht spezifisch die das Serin (Ser) oder Threonin (Thr) umgebenden Aminosäurereste (Konsensussequenz), wohingegen die Sequenz ihrer eigenen katalytischen Zentren hochkonserviert ist. Durch die geringe Spezifität werden durch diese Kinasen keine einzelnen Proteine phosphoryliert, sondern ganze Proteinfamilien. Inhibiert werden diese Enzyme, indem ein Pseudosubstrat an das aktive Zentrum bindet, indem es die Zielsequenz der entsprechenden Kinase nachahmt, jedoch über kein Serin oder Threonin verfügt.

Viele Ser/Thr-kinasen besitzen keine eigenen EC Nummern, weswegen die allgemeine Nummer "2.7.1.37" für ATP-Protein Phosphotransferasen genutzt wird. Auf Grund einer Revision dieser Proteinfamilie durch das Nomenklatur Committee der IUBMB (NC-IUBMB) werden den einzelnen Kinasen eigene EC-Nummern zugewiesen werden.

[Bearbeiten] Phosphorylase Kinase

Dieses Enzym (EC 2.7.1.38) ist die erste Ser/Thr-Kinase, die im Jahr 1959 von Krebs et al. entdeckt wurde.

[Bearbeiten] Proteinkinase A

Dieses Enzym besitzt einige Funktionen in der Zelle. Hierzu zählen die Regulation des Glycogen-, Zucker- und Lipidmetabolismus. Die Protein Kinase A (EC 2.7.1.37) besteht aus zwei Domänen. Die kleinere besteht aus einer großen Zahl β-Faltblättern, wohingegen die große Untereinheit eine große Zahl von α-Helices besitzt. Das katalytische Zentrum liegt zwischen den beiden Untereinheiten. Bindet ATP und ein Substrat verdrehen sich die Untereinheiten gegeneinander, sodass die γ-Phosphatgruppe des ATP in die Nähe der zu phosphorylierenden Aminosäure kommt und die Transferreaktion stattfinden kann.

[Bearbeiten] Regulation

Sie selbst werden durch cAMP reguliert. Durch Bindung von cAMP an ein inaktives Tetramer aus zwei regulatorischen und zwei katalytischen Untereinheiten (R₂C₂) werden die regulatorischen Untereinheiten von den katalytischen abgetrennt, wodurch die Phosphorylierung anderer Proteine ermöglicht wird. Die Proteinkinase A wird wiederum durch Phosphorylierung reguliert.

Außerdem wird durch die Aktivierung einer Phosphodiesterase die verfügbare Menge an cAMP durch Umwandlung in AMP gesenkt. Dies führt dazu, dass die Proteinkinase A ihre eigene Hemmung verursacht und es dadurch zu keiner "Daueraktivierung" der Kinase kommen kann.

[Bearbeiten] Proteinkinase B

Die in der vor allem englischsprachigen Literatur oftmals als Akt bezeichnete Kinase ist ein Enzym des PI3K/Akt-Signalweges, der zahlreiche Auswirkungen auf die Homeostase der Zelle hat, und das Überleben, die Apoptose, die Proliferation und den Stoffwechsel reguliert. Akt kommt in drei eng miteinander verwandten Isoformen vor (Akt1, Akt2, Akt3) deren Sequenzen auf Chromosom 14q32,19q13 respektive 1q43 kodiert werden. Keine Substratspezifitätsunterschiede konnten zwischen den einzelnen Isoformen festgestellt werden.

Die Aktivierung erfolgt in mehreren Schritten. Zunächst werden Phosphatidylinosytol-3-Kinasen (PI3K) durch aktivierte Rezeptortyrosinkinasen zur Membran rekrutiert und somit aktiviert. Aktivierte PI3K katalysieren die Phosphorylierung von Phosphatidyl-3,4-bisphosphat zu Phosphatidyl-3,4,5-trisphosphat. Die so entstandenen Substarate rekrutieren nun Proteine mit Pleckstrin Homology(PH)-Domänen zur Membran. Das so angedockte Akt kann nun über ein weiteres PH-Domänen aufweisendes Signalmolekül, das PDK1 (phosphoinositide-dependent kinase 1) phosphoryliert, aktiviert werden.

[Bearbeiten] Regulation

Wie oben erwähnt reguliert die Proteinkinase B unter anderem das Überleben, die Proliferation und den Sterbezyklus der betroffenen Zelle. Ein Beispiel ist das vermehrte Auftreten vom Glucose-Rezeptor Glut4 bei einem eingehenden Insulinsignal. Dabei wird die Transkription dieses Carriers kaskadenartig angefeuert und der Einbau desselben durch Vesikeltransport und -Abschnürung veranlasst. Selbst reguliert werden kann die Aktivität des Enzym beispielsweise durch das Tumor Supressor Protein PTEN, welches für die Dephosphorylierung von bspw. Phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphat zu Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (oder anderen 3'-phosphorylierten Phosphoinositiden) zuständig ist. Damit wird das Substrat der Proteinkinase untauglich, da es nun nicht mehr imstande ist, an die PH-Domäne anzudocken.

Die Funktion und Regulationsmechanismen sind mannigfaltig und werden heute noch eingehend untersucht, da angenommen wird, dass eine Mutation in bestimmten Bereichen des Signalweges (Bsp.: PTEN) eine Grundlage für die Ausbildung von Tumoren ist.

[Bearbeiten] Proteinkinase C

Die Bezeichnung Proteinkinase C (EC 2.7.1.37) trifft auf eine Familie von Proteinen mit in Säugetieren 12 Mitgliedern zu, die Ca²⁺, Diacylglycerol, und ein Phospholipid wie z.B. Phosphatidylcholin zur Aktivierung benötigen. In den meisten Fällen wird Proteinkinase Cα gemeint, wenn von diesen Enzymen die Rede ist.

[Bearbeiten] Struktur und Regulation

Die Proteinkinasen sind hochkonservierte Proteine, die aus einer N-terminalen regulatorischen Domäne und einer C-terminalen katalytischen Domäne bestehen. Solange das Enzym nicht durch einen Tumorpromotor wie Tetradecanoyl-Phorbolacetat (TPA) oder einen der oben genannten Kofaktoren aktiviert wird, ist es inaktiv. Die allgemeine lineare Struktur:

N - Pseudosubstrat - TPA-Bindung - Ca²⁺-Bindung - ATP-Bindung - Substratbindung - C

Während der Aktivierung verlagert sich die Proteinkinase C zur Zellmembran mit Hilfe von Rezeptoren für aktivierte Proteinkinase C (RACK-Proteine). Einmal aktiviert bleiben diese Kinasen lange Zeit aktiv, obwohl die Ca²⁺-Konzentration wieder gesunken ist. Dies wird auf die Wirkung von Diacylglycerol zurückgeführt, das aus Phosphatidylcholin durch eine Phospholipase gebildet wird. Diese wird durch die gleichen Signale aktiviert, wie die Proteinkinase selbst.

[Bearbeiten] Funktion

Die Zielsequenz der Proteinkinase C ist der der Proteinkinase A ähnlich, da sie viele basische Aminosäurereste in der Nähe der phosphorylierten Ser/Thr-Reste enthält. Substrate der Proteinkinase C sind MARCKS Proteine, MAP Kinasen, Transkriptionsfaktor-Inhibitor IκB, Vitamin D₃ Rezeptor, Raf Kinase, Calpain und der EGF-Rezeptor.