Proteiinkinaas A

Proteiinkinaas A (PKA) on AGC kinaasiperekonna seriin- või treoniinkinaas, mille aktiivsus rakus sõltub tsükliliset adenosiin- 3´,5´-monofosfaadist (cAMP). Seetõttu tuntakse PKA-d ka cAMP-sõltuva proteiinkinaasina. PKA-l on rakus palju funktsioone, näiteks aktiini tsütoskeleti destabiliseerimine, lipiidide metabolism, glükogeeni regulatsioon, ioonjuhtivuse reguleerimine ja südamelihaste relakseerumine. PKA-d kasutatakse ka mudelkinaasina teiste proteiinkinaaside uuringutes, kuna see omab suures osas struktuurseid sarnasusi teiste kinaasidega.

PKA-d ei tohi segamini ajada AMP-aktiveeritud proteiinkinaasiga, millel on küll sarnane olemus, kuid võib omada vastupidist mõju. Samuti ei tohi seda samastada tsükliin-sõltuva kinaasiga (CDK) või happe dissotsiatsioonikonstandiga (pKa).^[1]

Mehhanism

Aktiveerimine

Mitteaktiivses olekus on PKA neljast valgumolekulist koosnev kompleks (holoensüüm), millest 2 on katalüütilised alaühikud (PKAc või C) ja 2 regulatoorsed alaühikud (PKAr või R) (summaarselt: R2C2). PKA ensüümi tuntakse ka cAMP-sõltuva proteiinkinaasina, kuna selle aktivatsioon toimub cAMP molekulide seostumisel nende kinaasile. PKA aktivatsioonikaskaad saab alguse hormoonide, näiteks glükagooni ja adrenaliini (epinefriini), seostumisel sihtmärkraku G-valguga seotud retseptorile (GPCR). Pärast GPCR aktiveerimist rakuvälise (ekstratsellulaarse) ligandi poolt toimub retseptori konformatioonimuutus ning selle tulemusel muutub see rakusiseseks heterotrimeerseks G-valgu kompleksiks. G-valgud koosnevad kolmest alaühikust (alfa (α), beeta (β), gamma (γ)), mis seostudes teiste valgumolekulidega saavad moodustada nendega kompleksi. G-valgu alfa alaühik funktsioneerib seejärel guaniini nukleotiidi vahetusfaktorina (ingl Guanine nucleotide exchange factor ehk GEF), asendades sellele seotud guanosiindifosfaadi (GDP) guanosiintrifosfaadiga (GTP) ja vabaneb (dissotsieerub) ise kompleksi küljest.

Aktiveeritud G alfa alaühik seob ja aktiveerib ensüümi nimega adenülaaditsüklaas, mis omakorda katalüüsib ATP muutmist tsükliliseks adenosiini monofosfaadiks (cAMP) ja seeläbi suurendab cAMP kontsentratsiooni. Ühe PKA molekuli aktiveerimiseks on vaja nelja cAMP molekuli. Aktivatsioon toimub järgmiselt: kaks cAMP molekuli seotakse ühe PKA ensüümi regulatoorse alaühikuga (kokku 2 regulatoorset alaühikut ning vajab seega 4 cAMP molekuli), mis põhjustab holoensüümi dissotsieerumise regulatoorsete alaühikute dimeeriks ja kaheks katalüütiliseks alaühikuks. Vabanenud katalüütilised alaühikud aktiivsed ja võimelised fosforüülima oma substraatvalkude seriini- või treoniinijääke.^[2]

Kokkuvõte PKA aktiveerimiseks vajalikest etappidest:

1. Tsütosoolse cAMP-i kontsentratsiooni suurenemine;
2. Kahe cAMP-i molekuli seostumine mõlema PKA regulatoorse alaühikuga;
3. Regulatoorsete ja katalüütiliste alaühikute vahelise sideme nõrgenemine ja PKA holoensüümi dissotsieerumine regulatoorsete alaühikute dimeeriks ja kaheks katalüütiliseks alaühikuks;
4. Vabade katalüütiliste alaühikute substraatvalkude fosforüülimine.

Katalüüs

Pärast PKA holoensüümi dissotsieerumist saavad vabad katalüütilised alaühikud ATP (või teiste nukleosiidtrifosfaatide) terminaalse fosforüülrühma ülekannet valksubstaadi seriini või treoniini jäägile, mis põhjustab tavaliselt substraadi aktiivsuse muutust. Kuna PKA on eri rakuliikides üsna levinud, on cAMP-i ja PKA regulatsioon seotud erinevate signaaliradadega.

Edasiste mõjude mehhanismid saab jagada otseseks valgu fosforüülimiseks või valgusünteesiks: otsese valgu fosforüülimisega PKA vahetult suurendab või vähendab valgu aktiivsust; valgusünteesis aktiveerib PKA esmalt otseselt CREB-i (ingl cyclic AMP response element binding protein) ehk tsüklilise AMP vastuselementi siduv valk. See omakorda seob cAMP vastuselemendi, muutes seeläbi transkriptsiooni ja valgusünteesi. Võrreldes otsese valgu fosforüülimisega, võtab viimane toimemehhanism rohkem aega (tundidest kuni päevadeni).

Inaktiveerimine

PKA inaktivatsioon toimub nn tagasiside mehhanismiga: üks substraatvalkudest, mida PKA aktiveerib, on fosfodiesteraas, mis muundab kiirelt cAMP-i AMP-ks. Selle tulemusel väheneb cAMP-i hulk, mis aktiveerib PKA-d. Seega mõjutab PKA aktiivsust cAMP-i hulk, kuid ka katalüütilise alaühiku enda aktiivsust saab vähendada fosforüülimise teel.

Lokaliseerimine

PKA regulatoorsete alaühikute dimeer on vajalik kinaasi lokaliseerimiseks elusrakus. Dimeeri sidumise ja dimeriseerumise domeen seostub A-kinaasi ankurdava valguga (ingl A-kinase anchor protein ehk AKAP). AKAP-d lokaliseeruvad PKA-d erinevatesse kohtadesse raku sees (nt plasmamembraan, mitokondrid jne). Lisaks PKA-le seovad AKAP-d paljusid teisi signaalivalke, tekitades seeläbi väga tõhusa signalisüdamiku raku kindlas osas. Näiteks AKAP, mis paikneb südamelihase rakutuuma lähedal, seob nii PKA-d kui ka fosfodiesteraasi (hüdrolüüsib cAMP-i).

Funktsioon

PKA fosforüülib valke, millel on fosforüülitavaseriini või treoniini jäägi lähedal eelistatult aluselised aminohappejäägid (st Arg ja Lys). PKA substraativalkudel on fosforüülimissaidis iseloomulik aminohappeline järjestus Arg-X-Ser/Thr või Arg-Arg/Lys-X-Ser/Thr-Leu/Ile, kus X tähistab ükskõik mis aminohappejääki. Fosforüülimise tulemusel PKA aktiveerib või deaktiveerib substraatvalke. Kuna valgusüntees on eri rakutüüpidel erinev, ka substraatvalgud, mida PKA saab fosforüülida, on erinevad, mistõttu PKA aktiivsus ja funktsioon on eri rakutüüpides erinev.

Ülevaatlik tabel

Rakutüüp	Organ/süsteem	Stimulaatorid ligandid --> Gs-GPCRs or PDE inhibiitorid	Inhibiitorid ligandid --> Gi-GPCRs or PDE stimulaatorid	Mõjud
rasvarakk		adrenaliin (epinefriin) --> β-adrenergiline retseptor glükagoon --> Glükagooni retseptor		suurendab lipolüüsi stimuleerib lipaasi[3]
müotsüüt (skeletilihase)	lihaste süsteem	adrenaliin --> β-adrenergiline retseptor		toodab glükoosi stimuleerib glükogenolüüsi fosforüülib glükogeeni fosforülaasi, fosforülaaskinaas kaudu (aktiveerides)[3] fosforüülib atsetüül-CoA karboksülaasi (inhibeerides) inhibeerib glükogeneesi fosforüülib glükogeeni süntaasi (inhibeerides)[3] stimuleerib glükolüüsi fosforüülib fosfofruktokinaasi 2 (stimuleerides, ainult kardiomüotsüütidies)
müotsüüt (südamelihase)	südame-veresoonkond	norepinefriin --> β-adrenergiline retseptor		eraldab Ca^2+ sarkoplasmaatilisest retiikulumist fosforüülib fosfolambaani[4]
müotsüüt (silelihase)	südameveresoonkond	β-2 adrenergilised agonistid --> β-2 adrenergilised retseptorid histamiin --> histamiini H2 retseptor prostatsükliin --> prostatsükliini retseptor Prostaglandiin D2 --> PGD2 retseptor Prostaglandiin E2 --> PGE2 retseptor VIP --> VIP retseptor L-Arginiin --> imidasoliini retseptor ja α-2 retseptor (Gi-seotud)	muskariinsed agonistidid, nt atsetüülkolkoliin --> muskariinne retseptor M2 NPY --> NPY retseptor	Vasodilatsioon
maksarakk	maks	adrenaliin --> β-adrenergiline retseptor glükagoon --> Glükagooni retseptor		Glükoosi tootmine Glükogneolüüsi stimuleerimine fosforüülib glükogeeni fosforülaasi (aktiveerides)[3] fosforüülib Atsetüül-CoA karboksülaasi (inhibeerides) Glükogeneesi inhibeerimine fosforüülib glükogeensüntaasi (inhibeerides)[3] Glükogeneesi stimuleerimine fosforüülib fruktoos 2,6-bisfosfaati (stimuleerides) Glükolüüsi inhibeerimine fosforüülib fosfofruktokinaas-2 (inaktiveerides) fosforüülib fruktoos 2,6-bisfosfaati (stimuleerides) fosforüülib püruvaatkinaasi (inhibeerides)
neuronid rakutuuma accumbensites	närvisüsteem	dopamiin --> dopamiini retseptor		Aktiveerib reward süsteemi
Peamised rakud neerus	neer	Vasopressiin --> V2 retseptor teofülliin (PDE inhibiitor)		Akvaporiin 2 eksotsütoos apikaalsesse membraani[5] Akvaporiin 2 süntees[5] Akvaporiin 2 fosforüülimine (stimuleerides[5]
Paksud kasvavad jäsemerakud	neer	Vasopressiin --> V2 retseptor		Stimuleerib Na-K-2Cl sümporterit (sellel võib olla väike mõju)[5]
Kortikaalsed kogumistorukeste rakud	neer	Vasopressiin --> V2 retseptor		Stimuleerib epiteelkoe naatriumkanalit (sellel võib olla väike mõju)[5]
Sisemise säsi kogumisjuha rakud	neer	Vasopressiin --> V2 retseptor		Stimuleerib uurea transporter 1-te Uurea transporter 1-e eksotsütoos[6]
Proksimaalsed vääntorukeste rakud	neer	PTH --> PTH retseptor 1		NHE3 inhibeerimine --> ↓H^+sekretsiooni vähenemine[7]
Jukstaglomerulaarrakud	neer	Adrenergilised agonistid --> β-retseptor[8] Agonistid --> A2 retseptor[8] Dopamiin --> dopamiini retseptor[8] Glükagoon --> glükagooni retseptor[8]		Reniini sekretsioonile

Funktsioon rasva- ja maksarakkudes

Adrenaliin ja glükagoon mõjutavad PKA aktiivsust, muutes läbi G-valgu mehhanismi cAMP-i sisaldust rakus, kasutades selleks adenülaaditsüklaasi. PKA fosforüülib paljusid metabolismis olulisi ensüüme, näiteks atsetüül-CoA karboksülaas ja püruvaadi dehüdrogenaas. Sellisel kovalentsel modifikatsioonil on nendele ensüümidele inhibeeriv mõju, st toimub lipogeneesi inhibeerimine ja glükoneogeneesi soodustamine. Seevastu insuliin vähendab nende ensüümide fosforüülitust, mis omakorda soodustab lipogeneesi.

Vaata ka

• Proteiinkinaasid
• G-valgud
• G-valguga seotud retseptorid
• Tsükliline adenosiinmonofosfaat
• Proteiinkinaas B

Viited

1. Hallows KR, Alzamora R, Li H, et al. "AMP-activated protein kinase inhibits alkaline pH- and PKA-induced apical vacuolar H+-ATPase accumulation in epididymal clear cells". Am. J. Physiol., Cell Physiol. (2009). 296 (4): C672–81. DOI:10.1152/ajpcell.00004.2009. PMC 2670645. PMID 19211918. (vaadatud 24.11.2015)
2. Voet, Voet & Pratt (2006). Fundamentals of Biochemistry. Wiley. 492
3. Rang, H. P. (2003). Pharmacology. Edinburgh: Churchill Livingstone. ISBN 0-443-07145-4. 172
4. Rodriguez P, Kranias EG. (2005). "Phospholamban: a key determinant of cardiac function and dysfunction". Arch Mal Coeur Vaiss. 98 (12): 1239–43. PMID 16435604.
5. Walter F., PhD. Boron (2005). Medical Physiology: A Cellular And Molecular Approaoch. Elsevier/Saunders. ISBN 1-4160-2328-3. 842
6. Walter F., PhD. Boron (2005). Medical Physiology: A Cellular And Molecular Approaoch. Elsevier/Saunders. ISBN 1-4160-2328-3. 844
7. Walter F., PhD. Boron (2005). Medical Physiology: A Cellular And Molecular Approaoch. Elsevier/Saunders. ISBN 1-4160-2328-3. 852
8. Walter F., PhD. Boron (2003). Medical Physiology: A Cellular And Molecular Approaoch. Elsevier/Saunders. Lk 1300. ISBN 1-4160-2328-3. 867