Proteína quinase A

A da proteína quinase A (abreviada como PKA, polas súas siglas en inglés) é unha familia de encimas cuxa actividade é dependente do nivel de AMP cíclico (AMPc ou cAMP) que haxa na célula. A PKA tamén se denomina proteína quinase dependente de AMPc ().  A proteína quinase A ten varias funcións na célula, incluíndo a regulación do metabolismo do glicóxeno, azucres, e lípidos.

Non se debe confundir coa proteína quinase activada por AMP, que é tamén membro da superfamilia da proteína quinase e unha serina/treonina quinase, pero é un encima diferente e pode ter efectos opostos, e tampouco se debe confundir coas quinases dependentes de ciclina (Cdks). Por último, as súas siglas PKA non se deben confundir co símbolo da constante de disociación de ácido, pKa.

 Introdución 

A proteína quinase A, ou máis precisamente a proteína quinase dependente do adenosín 3',5'-monofosfato (AMP cíclico), foi descuberta polos químicos H. Fischer e Edwin G. Krebs en 1968, os cales gañaron o Premio Nobel de Fisioloxía ou Medicina en 1992 polos seus traballos sobre a fosforilación e desfosforilación e como están relacionadas coa actividade da proteína quinase A.

A PKA é unha das proteína quinases que foi máis estudada, en parte debido ao seu carácter practicamente único de ser tetrámera. De todas as proteína quinases que forman o quinoma humano, codificadas en 540 xenes diferentes, só hai outra, a caseína quinase 2, que exista fisioloxicamente en forma de complexo tetrámero.

A diversidade das subunidades da PKA de mamíferos comprendeuse a partir de que o Dr. Stan Knight e outros identificasen catro posibles xenes para a subunidade C e a presenza de catro xenes para a subunidade R. En 1991, Susan Taylor et al. cristalizaron a subinidade Cα da PKA, que revelou por primeira vez que o núcleo central dunha proteína quinase tiña unha estrutura bilobada, proporcionando un modelo para todas as demais proteína quinases codificadas no xenoma, as cales constitúen o chamado "quinoma'" ("kinome").

 Estrutura 

O holoencima PKA é un tetrámero, aínda que na célula se forman estruturas de orde superior, nas que as dianas son compoñentes específicos da PKA. A estrutura do holoencima PKA clásica consta de dúas subunidades reguladoras e dúas subunidades catalíticas. A subunidade catalítica contén o sitio activo, unha serie de residuos canónicos que son típicos das proteína quinases aos que se une o ATP, ao que hidrolizan e un dominio ao que se une a subunidade reguladora. A subunidade reguladora ten dominios que se unen ao AMP cíclico, un dominio que interacciona con subunidades catalíticas e un dominio autoinhibidor. Hai dúas formas de subunidade reguladora, chamadas RI e RII.

 Mecanismo 
miniatura|280px|Mecanismos de activación e inactivación da PKA

 Activación 

A PKA tamén se chama proteína quinase dependente do AMPc, porque se pensaba tradicionalmente que era activada pola liberación da subunidade catalítica cando os niveis do segundo mensaxeiro AMPc aumentaban en resposta de diversos sinais. Porén, estudos recentes que avalían os complexos do holoencima intacto, incluíndo os complexos de sinalización unidos á AKAP reguladora, suxeriron que a activación subcelular local da actividade catalítica da PKA podería producirse sen a separación física dos compoñentes catalítico e regulador, especialmente ás concentracións fisiolóxicas de AMPc.Smith FD, Esseltine JL, Nygren PJ, Veesler D, Byrne DP, Vonderach M, Strashnov I, Eyers CE, Eyers PA, Langeberg LK, Scott JD (2017) Local protein kinase A action proceeds through intact holoenzymes. Science. 356:1288-1293Byrne DP, Vonderach M, Ferries S, Brownridge PJ, Eyers CE, Eyers PA (2016) cAMP-dependent protein kinase (PKA) complexes probed by complementary differential scanning fluorimetry and ion mobility-mass spectrometry. Biochemical Journal. 473:3159-3175 Pero en contraste co anterior, concentracións suprafisiolóxicas de AMPc inducidas experimentalmente poden causar a separación do holoencima, e a liberación das subunidades catalíticas.

Hormonas extracelulares como o glicagón e a adrenalina dan comezo a unha fervenza de sinalización intracelular que desencadea a activación da proteína quinase A ao unirse primeiro a un receptor acoplado á proteína G (GPCR) sobre a célula diana. Cando se activa un GPCR polo seu ligando extracelular, indúcese un cambio conformacional no receptor que se transmite a un complexo de proteína G heterotrimérico intracelular unido a el debido á dinámica dos dominios proteicos. A subunidade Gs alfa do complexo da proteína G estimulado intercambia GDP por GTP e é liberada do complexo. A subunidade Gs alfa activada únese e activa un encima chamado adenilil ciclase, o cal, á súa vez, cataliza a conversión de ATP en AMPc, o cal incrementa directamente os niveis de AMPc. Poden unirse catro moléculas de AMPc ás dúas subunidades R, isto faise ao unírense dúas moléculas de AMPc a cada un dos dous sitios de unión ao AMPc (CNB-B e CNB-A), o cal produce un cambio conformacional nas subinidades reguladoras do encima PKA, causando que as subunidades se despeguen e liberen as dúas subunidades catalíticas (agora activadas).

Unha vez liberado da súa subunidade reguladora inhibidora, as subunidades catalíticas poden continuar fosforilando un gran número doutras proteínas no contexto do substrato mínimo Arg-Arg-X-Ser/Thr.,Voet, Voet & Pratt (2006). Fundamentals of Biochemistry. Wiley. Pg 492 aínda que están suxeitos a máis niveis de regulación, como a modulación polo inhibidor pseudosubstrato da PKA estable á calor, denominado PKI Scott JD, Glaccum MB, Fischer EH, Krebs EG (1986) Primary-structure requirements for inhibition by the heat-stable inhibitor of the cAMP-dependent protein kinase. PNAS. 83:1613-1616

Velaquí unha lista dos pasos implicados na activación da PKA:

 Incremento do AMP cíclico citosólico.
 Dúas moléculas de AMPc únense a cada subunidade reguladora da PKA.
 As subunidades reguladoras móvense fóra dos sitios activos das subunidades catalíticas e o complexo R2C2 disóciase.
 As subunidades catalíticas libres interaccionan con proteínas para fosforilar residuos de serina ou treonina.

 Catálise 

As subunidades catalíticas liberadas poden despois catalizar a transferencia dos fosfatos terminais do ATP ás proteínas substrato en residuos dos aminoácidos serina ou treonina. Esta fosforilación xeralmente ten como resultado un cambio na actividade do substrato. Como as PKAs están presentes en varias células e actúan sobre diferentes substratos, a regulación da PKA e a do AMPc están implicadas en moitas vías diferentes.

O mecanismo dos efectos ulteriores pode dividirse en fosforilación directa das proteínas e síntese de proteínas:
Na fosforilación directa de proteínas, a PKA directamente incrementa ou fai diminuír a actividade dunha proteína.
Na síntese proteica, a PKA primeiro activa directamente o factor CREB, que se une ao elemento de resposta ao AMPc, alterando a transcrición e, por tanto, a síntese da proteína. En xeral, este mecanismo tarda máis tempo en actuar (horas ou días).

 Mecanismo de fosforilación 

O residuo de serina/treonina do péptido substrato está orientado de modo que o grupo hidroxilo quede enfrontado ao grupo fosfato gamma da molécula de ATP unida. Tanto o substrato coma o ATP e dous ións Mg2+ forman contactos intensivos coa subunidade catalítica do PKA. Na conformación activa, a hélice C empaquétase contra o lobo N-terminal e o residuo de aspartato do motivo conservado DFG quela os ións Mg2+, axudando a colocar o substrato ATP. O grupo trifosfato do ATP está apuntando ao peto da adenosina para a transferencia do fosfato gamma á serina/treonina do substrato peptídico. Hai varios residuos conservados, incluíndo o glutamato (E) 91 e a lisina (K) 72, que median na colocación dos grupos fosfato alfa e beta. O grupo hidroxilo do substrato peptídico serina/treonina ataca o grupo fosfato gamma no fósforo por medio dunha reacción nucleófila SN2, que ten como resultado a transferencia do fosfato terminal ao substrato peptídico e a clivaxe do enlace fosfodiéster entre o fosfato beta e os grupos fosfato gamma. O PKA actúa como modelo para o coñecemento da bioloxía das proteína quinases, e a posición dos residuos conservados axuda a distinguir a proteína quinase activa e os membros pseudoquinases inactivos do quinoma humano.

 Inactivación 
miniatura|120px|AMPc
A regulación á baixa da proteína quinase A ocorre por un mecanismo de retroalimentación que usa varios encimas fosfodiesterases que hidrolizan o ATP, o cal é un dos substratos activados pola quinase. A fosfodiesterase converte rapidamente o AMPc a AMP, reducindo así a cantidade de AMPs que pode activar a proteína quinase A. A PKA é tamén regulada por unha complexa serie de eventos de fosforilación, que poden incluír a modificación por autofosforilación e a fosforilación por quinases reguladoras, como PDK1.

Así, a PKA é controlada, en parte, polos niveis de AMPc. Ademais, a propia subunidade catalítica pode ser regulada á baixa por fosforilación.

 Ancoraxe 

O dímero da subunidade reguladora da PKA é importante para localizar a quinase dentro da célula. A dimerización e dominio de atraque (D/D) do dímero únese ao dominio de unión da quinase A (AKB) da proteína de ancoraxe da quinase A (AKAP). As  AKAP localizan a PKA en varias partes da célula (por exemplo, membrana plasmática, mitocondria etc.).

As AKAP únense a moitas outras proteínas de sinalización, creando un foco de sinalización moi eficiente en certas localizacións da célula. Por exemplo, unha AKAP localizada preto do núcleo dunha célula do músculo cardíaco únese tanto á PKA coma á fosfodiesterase (hidroliza AMPc), o que permite que a célula limite a produtividade da PKA, xa que a subunidade catalítica é activada unha vez que o AMPc se une ás subunidades reguladoras.

 Función 

A PKA fosforila proteínas que teñen exposto o motivo arxinina-arxinina-X-serina, (des)activando as proteínas unha por unha. Como a expresión das proteínas varía dun tipo de célula a outro, as proteínas que están dispoñibles para a fosforilación dependen da célula na que a PKA está presente. Así, os efectos da activación da PKA varían co tipo celular:

 Táboa resumo 
 Tipo celular Órgano/sistema Ligandos  estimuladores → Gs-GPCR  ou inibidores da PDE Ligandos  inhibidores → Gi-GPCRs  ou estimuladores da PDE Efectos adipocito   adrenalina → receptor β-adrenérxico
glicagón → receptor do glicagón  potencia a lipólise
estimula a lipase Page 172 miocito (músculo esquelético)  sistema muscular adrenalina → receptor β-adrenérxico  produce glicosa
estimula a glicoxenólise
fosforila a glicóxeno fosforilase por medio da fosforilase quinase (o que a activa)
fosforila acetil-CoA carboxilase (o que a inhibe)
inhibe a glicoxénese
fosforila a glicóxeno sintase (o que a inhibe)
estimula a glicólise
fosforila a fosfofrutoquinase 2 (o que a estimula, en cardiomiocitos só) miocito (músculo cardíaco)  cardiovascular noradrenalina → receptor β-adrenérxico  secuestra o Ca2+ no retículo sarcoplásmico
fosforila o fosfolambán miocito (músculo liso)  cardiovascular agonistas β2 adrenérxicos → receptor β-2 adrenérxico
histamina → receptor H2 da histamina
prostaciclina → receptor da prostaciclina
Prostaglandina D2 → receptor da PGD2
Prostaglandina E2 → receptor da PGE2
VIP → receptor do VIP
L-Arxinina → imidazolina e receptor da α2?  (acoplado a Gi)agonistas muscarínicos, por exemplo, acetilcolina → receptor muscarínico M2
NPY → receptor NPY Vasodilatación hepatocito  fígado adrenalina → receptor β-adrenérxico
glicagón → receptor do glicagón  produce glicosa
estimula a glicoxenólise
fosforila a glicóxeno fosforilase (o que a activa)
fosforila a acetil-CoA carboxilase (o que a inhibe)
inhibe a glicoxénese
fsoforila a glicóxeno sintase (o que a inhibe)
estimula a gliconeoxénese
fosforila a frutosa 2,6-bisfosfatase (o que a estimula)
inhibe a glicólise
fosforila a fosfofrutoquinase-2 (o que a inactiva)
fosforila a frutosa 2,6-bisfosfatase (o que a estimula)
fosforila a piruvato quinase (o que a inhibe) neuronas no núcleo accumbens  sistema nervioso  dopamina → receptor da dopamina    Activa o sistema de recompensa células principais dos riles  riles Vasopresina → receptor de V2
teofilina (inhibidor da PDE)  exocitose da acuaporina 2 á membrana apical.
síntese de acuaporina 2
fosforilación de acuaporina 2 (o que a estimula) Célula do limbo ascendente grosa  ril  Vasopresina → receptor de V2    estimula o simportador Na-K-2Cl (quizais produce só efectos menores) Célula do túbulo colector cortical  ril  Vasopresina → receptor de V2    estimula a canle de sodio epitelial (quizais exerce só efectos menores) Célula do conduto colector medular interna  ril  Vasopresina → receptor de V2   estimula o transportador da urea 1
Exocitose do transportador da urea 1 Célula do túbulo contorneado proximal  ril  PTH → receptor da PTH 1    Inhibe a  NHE3 → ↓ a secreción de H+ célula xustaglomerular  ril  agonistas adrenérxicos → receptor β
 agonistas → receptor α2
dopamina → receptor da dopamina
glicagón → receptor do glicagón
    secreción de renina

 En adipocitos e hepatocitos 
A adrenalina e o glicagón afectan a actividade da proteína quinase A cambiando os niveis de AMPc nunha célula por medio do mecanismo da proteína G, usando a adenilato ciclase. A proteína quinase A actúa fosforilando moitos encimas importantes no metabolismo. Por exemplo, a proteína quinase A fosforila a acetil-CoA carboxilase e a piruvato deshidroxenase. Esa modificación covalente ten un efecto inhibitorio sobre eses encimas, inhibindo así a lipoxénese e promovendo unha gliconeoxénese neta. A insulina, por outra parte, diminúe o nivel de fosforilación destes encimas, o cal, ao contrario, promove a lipoxénese. A gliconeoxénese non ocorre en miocitos.

 Nas neuronas do núcleo accumbens 
A PKA axuda a transferir/trasladar o sinal da dopamina ás células do núcleo accumbens, que media na motivación, recompensa e importancia das tarefas. A gran maioría da percepción da recompensa implica a activación neuronal no núcleo accumbens; algúns exemplos da cal son as percepcións do sexo, drogas recreativas e alimento. A vía de transdución de sinais da proteína quinase A axuda na modulación do consumo de etanol e dos seus efectos sedantes. Un estudo nos ratos informou que os ratos con sinalización AMPc-PKA xeneticamente reducida consomen menos alcohol (do que dispoñían no experimento) e son máis sensibles aos seus efectos sedantes.

 No músculo esquelético 
A proteína quinase A é dirixida a localizacións subcelulares específicas despois de ligarse a proteínas de ancoraxe á proteína quinase A (AKAP). A canle de liberación de Ca2+ do retículosarcoplásmico ou receptor Ryanodine (Ryr) colocalízase coa AKAP do músculo. A fosforilación do RyR e o fluxo de Ca 2+ increméntase pola localización da PKA na RyR pola mAKP.

 Na formación da memoria 
A PKA foi sempre considerada importante na formación da memoria. Reducións na actividade de expresión de DCO (xene codificante da subunidade catalítica da PKA) pode causar graves alteracións na aprendizaxe, e a memoria a medio e curto prazo. A memoria a longo prazo depende do factor de transcrición CREB, regulado pola PKA. Un estudo feito en Drosophila descubriu que unha diminución na actividade da PKA do 24% inhibía as capacidades de aprendizaxe e unha diminución do 16% afectaba tanto á capacidade de aprendizaxe coma á retención da memoria. A formación dunha memoria normal é moi sensible aos niveis de PKA.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Outros artigos 
 Proteína quinase
 Transdución de sinais
 Receptor acoplado á proteína G
 Proteína quinase específica de serina/treonina
 Quinase da cadea lixeira da miosina
 Vía dependente do AMPc

 Ligazóns externas 

 Proteína quinase dependente de AMPc 1 de Drosophila - The Interactive Fly
 Proteína quinase dependente de AMPc: PDB - Molécula do mes

 Notas 

Categoría:Transdución de sinais
Categoría:Proteína quinases