En biología celular , la proteína quinasa A ( PKA ) es una familia de serina-treonina quinasa [1] cuya actividad depende de los niveles celulares de AMP cíclico (AMPc). La PKA también se conoce como proteína quinasa dependiente de AMPc ( EC 2.7.11.11). La PKA tiene varias funciones en la célula, incluida la regulación del metabolismo del glucógeno , el azúcar y los lípidos . No debe confundirse con la proteína quinasa activada por 5' -AMP ( proteína quinasa activada por AMP ).
La proteína quinasa A, más precisamente conocida como proteína quinasa dependiente de adenosina 3',5'-monofosfato (AMP cíclico), abreviada como PKA, fue descubierta por los químicos Edmond H. Fischer y Edwin G. Krebs en 1968. Ganaron el Premio Nobel en Fisiología o Medicina en 1992 por su trabajo sobre la fosforilación y desfosforilación y su relación con la actividad de la PKA. [2]
La PKA es una de las proteínas quinasas más investigadas , en parte debido a su singularidad; De los 540 genes diferentes de proteína quinasa que componen el kinoma humano , sólo se sabe que otra proteína quinasa, la caseína quinasa 2 , existe en un complejo tetramérico fisiológico, lo que significa que consta de cuatro subunidades. [1]
La diversidad de las subunidades de PKA de los mamíferos se descubrió después de que el Dr. Stan McKnight y otros identificaran cuatro posibles genes de subunidades catalíticas y cuatro genes de subunidades reguladoras. En 1991, Susan Taylor y sus colegas cristalizaron la subunidad PKA Cα, que reveló por primera vez la estructura bilobular del núcleo de la proteína quinasa, proporcionando un modelo para todas las demás proteínas quinasas en un genoma (el kinoma). [3]
Cuando está inactiva, la apoenzima PKA existe como un tetrámero que consta de dos subunidades reguladoras y dos subunidades catalíticas. La subunidad catalítica contiene el sitio activo, una serie de residuos canónicos que se encuentran en las proteínas quinasas que se unen e hidrolizan el ATP , y un dominio para unirse a la subunidad reguladora. La subunidad reguladora tiene dominios para unirse al AMP cíclico, un dominio que interactúa con la subunidad catalítica y un dominio autoinhibidor. Hay dos formas principales de subunidad reguladora; RI y RII. [4]
Las células de mamífero tienen al menos dos tipos de PKA: el tipo I se encuentra principalmente en el citosol , mientras que el tipo II se une a través de sus subunidades reguladoras y proteínas de anclaje especiales, descritas en la sección de anclaje, a la membrana plasmática , la membrana nuclear , la membrana externa mitocondrial , y microtúbulos . En ambos tipos, una vez que las subunidades catalíticas se liberan y se activan, pueden migrar al núcleo (donde pueden fosforilar proteínas reguladoras de la transcripción), mientras que las subunidades reguladoras permanecen en el citoplasma. [5]
Los siguientes genes humanos codifican subunidades de PKA:
La PKA también se conoce comúnmente como proteína quinasa dependiente de AMPc, porque tradicionalmente se pensaba que se activaba mediante la liberación de subunidades catalíticas cuando los niveles del segundo mensajero llamado monofosfato de adenosina cíclico , o AMPc, aumentan en respuesta a una variedad de señales. Sin embargo, estudios recientes que evalúan los complejos holoenzimáticos intactos, incluidos los complejos de señalización reguladores unidos a AKAP, han sugerido que la activación subcelular local de la actividad catalítica de la PKA podría realizarse sin una separación física de los componentes regulador y catalítico, especialmente en concentraciones fisiológicas de AMPc. . [6] [7] Por el contrario, las concentraciones suprafisiológicas de AMPc inducidas experimentalmente, es decir, superiores a las observadas normalmente en las células, pueden provocar la separación de las holoenzimas y la liberación de las subunidades catalíticas. [6]
Las hormonas extracelulares, como el glucagón y la epinefrina , inician una cascada de señalización intracelular que desencadena la activación de la proteína quinasa A al unirse primero a un receptor acoplado a proteína G (GPCR) en la célula diana. Cuando un GPCR es activado por su ligando extracelular, se induce un cambio conformacional en el receptor que se transmite a un complejo de proteína G heterotrimérico intracelular unido mediante la dinámica del dominio proteico . La subunidad Gs alfa del complejo de proteína G estimulado intercambia GDP por GTP en una reacción catalizada por el GPCR y se libera del complejo. La subunidad alfa Gs activada se une y activa una enzima llamada adenilil ciclasa , que, a su vez, cataliza la conversión de ATP en AMPc, aumentando directamente el nivel de AMPc. Cuatro moléculas de AMPc pueden unirse a las dos subunidades reguladoras. Esto se hace mediante la unión de dos moléculas de AMPc a cada uno de los dos sitios de unión de AMPc (CNB-B y CNB-A), lo que induce un cambio conformacional en las subunidades reguladoras de la PKA, lo que hace que las subunidades se desprendan y liberen las dos, ahora activadas, subunidades catalíticas. [8]
Una vez liberadas de la subunidad reguladora inhibidora, las subunidades catalíticas pueden fosforilar otras proteínas en el contexto del sustrato mínimo Arg-Arg-X-Ser/Thr., [9] aunque todavía están sujetas a otras capas de regulación. incluida la modulación por el inhibidor pseudosustrato termoestable de la PKA, denominado PKI. [7] [10]
A continuación se muestra una lista de los pasos involucrados en la activación de PKA:
Las subunidades catalíticas liberadas pueden entonces catalizar la transferencia de fosfatos terminales ATP a sustratos proteicos en residuos de serina o treonina . Esta fosforilación suele dar como resultado un cambio en la actividad del sustrato. Dado que las PKA están presentes en una variedad de células y actúan sobre diferentes sustratos, la regulación de la PKA y la regulación del AMPc están involucradas en muchas vías diferentes.
Los mecanismos de efectos adicionales se pueden dividir en fosforilación directa de proteínas y síntesis de proteínas:
El residuo de serina/treonina del péptido sustrato está orientado de tal manera que el grupo hidroxilo se enfrenta al grupo fosfato gamma de la molécula de ATP unida. Tanto el sustrato, ATP, como dos iones Mg2+ forman contactos intensivos con la subunidad catalítica de PKA. En la conformación activa, la hélice C se empaqueta contra el lóbulo N-terminal y el residuo de aspartato del motivo DFG conservado quela los iones Mg2+, ayudando a posicionar el sustrato de ATP. El grupo trifosfato del ATP sale de la bolsa de adenosina para la transferencia de gamma-fosfato a la serina/treonina del sustrato peptídico. Hay varios residuos conservados, incluidos el glutamato (E) 91 y la lisina (K) 72, que median en el posicionamiento de los grupos alfa y beta fosfato. El grupo hidroxilo de la serina/treonina del sustrato peptídico ataca al grupo fosfato gamma en el fósforo a través de una reacción nucleofílica SN2, lo que resulta en la transferencia del fosfato terminal al sustrato peptídico y la escisión del enlace fosfodiéster entre el beta-fosfato y el grupos gamma-fosfato. La PKA actúa como modelo para comprender la biología de la proteína quinasa , y la posición de los residuos conservados ayuda a distinguir los miembros de la proteína quinasa activa y la pseudoquinasa inactiva del kinoma humano.
La regulación negativa de la proteína quinasa A se produce mediante un mecanismo de retroalimentación y utiliza varias enzimas fosfodiesterasas hidrolizantes de AMPc (PDE), que pertenecen a los sustratos activados por la PKA. La fosfodiesterasa convierte rápidamente AMPc en AMP, reduciendo así la cantidad de AMPc que puede activar la proteína quinasa A. La PKA también está regulada por una serie compleja de eventos de fosforilación, que pueden incluir modificación por autofosforilación y fosforilación por quinasas reguladoras, como PDK1. [7]
Así, la PKA está controlada, en parte, por los niveles de AMPc . Además, la propia subunidad catalítica puede regularse negativamente mediante fosforilación.
El dímero de la subunidad reguladora de la PKA es importante para localizar la quinasa dentro de la célula. El dominio de dimerización y acoplamiento (D/D) del dímero se une al dominio de unión de A-quinasa (AKB) de la proteína de anclaje de A-quinasa (AKAP). Los AKAP localizan la PKA en varios lugares (p. ej., membrana plasmática, mitocondrias, etc.) dentro de la célula.
Las AKAP se unen a muchas otras proteínas de señalización, creando un centro de señalización muy eficiente en un lugar determinado dentro de la célula. Por ejemplo, una AKAP ubicada cerca del núcleo de una célula del músculo cardíaco se uniría tanto a la PKA como a la fosfodiesterasa (hidroliza el AMPc), lo que permite a la célula limitar la productividad de la PKA, ya que la subunidad catalítica se activa una vez que el AMPc se une a las subunidades reguladoras.
La PKA fosforila proteínas que tienen expuesto el motivo Arginina-Arginina-X-Serina, lo que a su vez (des)activa las proteínas. Existen muchos sustratos posibles de PKA; El NIH dispone de una lista de dichos sustratos y la mantiene . [11]
Como la expresión de proteínas varía de un tipo de célula a otro, las proteínas disponibles para la fosforilación dependerán de la célula en la que esté presente la PKA. Por tanto, los efectos de la activación de PKA varían según el tipo de célula :
La epinefrina y el glucagón afectan la actividad de la proteína quinasa A al cambiar los niveles de AMPc en una célula a través del mecanismo de la proteína G, utilizando la adenilato ciclasa . La proteína quinasa A actúa fosforilando muchas enzimas importantes en el metabolismo. Por ejemplo, la proteína quinasa A fosforila la acetil-CoA carboxilasa y la piruvato deshidrogenasa . Dicha modificación covalente tiene un efecto inhibidor sobre estas enzimas, inhibiendo así la lipogénesis y promoviendo la gluconeogénesis neta . La insulina, por otro lado, disminuye el nivel de fosforilación de estas enzimas, lo que promueve la lipogénesis. Recuerde que la gluconeogénesis no ocurre en los miocitos.
La PKA ayuda a transferir/traducir la señal de dopamina a las células del núcleo accumbens , lo que media la recompensa, la motivación y la prominencia de la tarea . La gran mayoría de la percepción de recompensa implica la activación neuronal en el núcleo accumbens, algunos ejemplos del cual incluyen el sexo, las drogas recreativas y la comida. Proteína quinasa Una vía de transducción de señales ayuda a modular el consumo de etanol y sus efectos sedantes. Un estudio con ratones informa que los ratones con señalización de cAMP-PKA genéticamente reducida dan como resultado un menor consumo de etanol y son más sensibles a sus efectos sedantes. [18]
La PKA se dirige a ubicaciones subcelulares específicas después de conectarse a los AKAP . El receptor de rianodina (RyR) se co-localiza con el músculo AKAP y la fosforilación de RyR y la salida de Ca 2+ aumenta mediante la localización de PKA en RyR por parte de los AKAP. [19]
En una cascada mediada por un GPCR conocido como adrenoceptor β 1 , activado por catecolaminas (especialmente norepinefrina ), la PKA se activa y fosforila numerosos objetivos, a saber: canales de calcio tipo L , fosfolambano , troponina I , proteína C fijadora de miosina y canales de potasio . . Esto aumenta la inotropía y la lusitropía , aumentando la fuerza de contracción y permitiendo que los músculos se relajen más rápido. [20] [21]
La PKA siempre se ha considerado importante en la formación de la memoria . En la mosca de la fruta , las reducciones en la actividad de expresión de DCO (gen que codifica la subunidad catalítica de PKA) pueden causar graves problemas de aprendizaje, memoria a mediano y corto plazo. La memoria a largo plazo depende del factor de transcripción CREB, regulado por la PKA. Un estudio realizado con drosophila informó que un aumento en la actividad de PKA puede afectar la memoria a corto plazo. Sin embargo, una disminución en la actividad de PKA del 24% inhibió las habilidades de aprendizaje y una disminución del 16% afectó tanto la capacidad de aprendizaje como la retención de la memoria. La formación de una memoria normal es muy sensible a los niveles de PKA. [22]
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