Proteína quinasa A

La PKA también se conoce comúnmente como proteína quinasa dependiente de cAMP, ya que tradicionalmente se ha creído que se activa mediante la liberación de las subunidades catalíticas cuando los niveles del segundo mensajero llamado monofosfato de adenosina cíclico (AMPc) aumentan en respuesta a diversas señales. Sin embargo, estudios recientes que evalúan los complejos de holoenzimas 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 producirse sin la separación física de los componentes reguladores y catalíticos, especialmente a concentraciones fisiológicas de AMPc. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Por el contrario, concentraciones suprafisiológicas de AMPc inducidas experimentalmente, es decir, superiores a las que se observan normalmente en las células, pueden causar 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 activa la proteína quinasa A mediante la unión a un receptor acoplado a proteína G (GPCR) en la célula diana. Cuando un GPCR se activa por su ligando extracelular, se induce un cambio conformacional en el receptor que se transmite a un complejo de proteína G heterotrimérica intracelular unido mediante la dinámica de dominios proteicos . La subunidad alfa Gs 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 a una enzima llamada adenilil ciclasa y la activa , la cual, 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 logra mediante la unión de dos moléculas de cAMP a cada uno de los dos sitios de unión de cAMP (CNB-B y CNB-A), lo que induce un cambio conformacional en las subunidades reguladoras de la PKA, provocando que las subunidades se separen y liberen las dos subunidades catalíticas, ahora activadas. ^{[ 8 ]}

Una vez liberadas de la subunidad reguladora inhibitoria, las subunidades catalíticas pueden fosforilar varias otras proteínas en el contexto mínimo del sustrato Arg-Arg-X-Ser/Thr., ^{[ 9 ]} aunque siguen sujetas a otras capas de regulación, incluida la modulación por el inhibidor de pseudosustrato termoestable de PKA, denominado PKI. ^{[ 7 ] [ 10 ]}

A continuación se muestra una lista de los pasos involucrados en la activación de PKA:

1. Aumento del AMPc citosólico
2. Dos moléculas de cAMP se unen a cada subunidad reguladora de PKA.
3. Las subunidades reguladoras se desplazan fuera de los sitios activos de las subunidades catalíticas y el complejo R2C2 se disocia.
4. Las subunidades catalíticas libres interactúan con las proteínas para fosforilar residuos de Ser o Thr.

Las subunidades catalíticas liberadas pueden catalizar la transferencia de fosfatos terminales de ATP a sustratos proteicos en residuos de serina o treonina . Esta fosforilación suele provocar un cambio en la actividad del sustrato. Dado que las PKA están presentes en diversas células y actúan sobre diferentes sustratos, la regulación de las PKA y la regulación del AMPc participan en numerosas vías metabólicas.

Los mecanismos de los efectos posteriores pueden dividirse en fosforilación directa de proteínas y síntesis de proteínas:

• En la fosforilación directa de proteínas, la PKA aumenta o disminuye directamente la actividad de una proteína.
• En la síntesis de proteínas, la PKA activa directamente la CREB , que se une al elemento de respuesta al AMPc (CRE), alterando la transcripción y, por lo tanto, la síntesis de la proteína. En general, este mecanismo requiere más tiempo (de horas a días).

El residuo de serina/treonina del péptido sustrato se orienta de tal manera que el grupo hidroxilo queda frente al grupo fosfato gamma de la molécula de ATP unida. Tanto el sustrato, el ATP, como dos iones Mg2+ forman contactos intensos con la subunidad catalítica de la PKA. En la conformación activa, la hélice C se apila contra el lóbulo N-terminal y el residuo de aspartato del motivo DFG conservado quelata los iones Mg2+, lo que ayuda a posicionar el sustrato ATP. El grupo trifosfato del ATP apunta hacia fuera del bolsillo de adenosina para la transferencia del fosfato gamma a la serina/treonina del péptido sustrato. Existen varios residuos conservados, como el glutamato (E) 91 y la lisina (K) 72, que median el posicionamiento de los grupos fosfato alfa y beta. El grupo hidroxilo de la serina/treonina del sustrato peptídico ataca al grupo fosfato gamma en el fósforo mediante una reacción nucleofílica SN2, lo que resulta en la transferencia del fosfato terminal al sustrato peptídico y la ruptura del enlace fosfodiéster entre los grupos fosfato beta y gamma. La PKA actúa como modelo para comprender la biología de las quinasas de proteínas , y la posición de los residuos conservados ayuda a distinguir las quinasas de proteínas activas de las pseudoquinasas inactivas del quinoma humano.

La regulación negativa de la proteína quinasa A se produce mediante un mecanismo de retroalimentación y utiliza varias enzimas fosfodiesterasas (PDE) hidrolizadoras de cAMP, que pertenecen a los sustratos activados por la PKA. La fosfodiesterasa convierte rápidamente el cAMP en AMP, reduciendo así la cantidad de cAMP que puede activar la proteína quinasa A. La PKA también está regulada por una compleja serie de eventos de fosforilación, que pueden incluir la modificación por autofosforilación y la fosforilación por quinasas reguladoras, como PDK1. ^{[ 7 ]}

Por lo tanto, la PKA está controlada, en parte, por los niveles de AMPc . Además, la propia subunidad catalítica puede ser regulada negativamente mediante fosforilación.

El dímero de la subunidad reguladora de la PKA es fundamental para la localización de la quinasa dentro de la célula. El dominio de dimerización y acoplamiento (D/D) del dímero se une al dominio de unión a la quinasa A (AKB) de la proteína de anclaje de la quinasa A (AKAP). Las proteínas AKAP localizan la PKA en diversas ubicaciones dentro de la célula (por ejemplo, membrana plasmática, mitocondrias, etc.).

Las AKAP se unen a muchas otras proteínas de señalización, creando un centro de señalización muy eficiente en una ubicación específica dentro de la célula. Por ejemplo, una AKAP ubicada cerca del núcleo de una célula muscular cardíaca se uniría tanto a la PKA como a la fosfodiesterasa (que hidroliza el AMPc), lo que permite a la célula limitar la actividad de la PKA, ya que la subunidad catalítica se activa una vez que el AMPc se une a las subunidades reguladoras.

La epinefrina y el glucagón afectan la actividad de la proteína quinasa A al modificar los niveles de AMPc en la célula mediante el mecanismo de la proteína G, utilizando la adenilato ciclasa . La proteína quinasa A fosforila numerosas enzimas importantes en el metabolismo. Por ejemplo, fosforila la acetil-CoA carboxilasa y la piruvato deshidrogenasa . Esta 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. Cabe recordar que la gluconeogénesis no se produce en los miocitos.

La PKA ayuda a transferir/traducir la señal de dopamina a las células del núcleo accumbens , que media la recompensa, la motivación y la relevancia de la tarea . La gran mayoría de la percepción de recompensa implica la activación neuronal en el núcleo accumbens, algunos ejemplos de la cual incluyen el sexo, las drogas recreativas y la comida. La vía de transducción de señales de la proteína quinasa A ayuda a modular el consumo de etanol y sus efectos sedantes. Un estudio en ratones informa que los ratones con señalización 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 unirse a las AKAP . El receptor de rianodina (RyR) se localiza conjuntamente con la AKAP muscular, y la fosforilación del RyR y el eflujo de Ca2 ⁺ aumentan debido a la localización de la PKA en el RyR por las AKAP. ^{[ 19 ]}

En una cascada mediada por un GPCR conocido como receptor β1 _adrenérgico , activado por catecolaminas (especialmente norepinefrina ), la PKA se activa y fosforila numerosos objetivos, a saber: canales de calcio de tipo L , fosfolambano , troponina I , proteína C de unión a miosina y canales de potasio . Esto aumenta la inotropía y la lusitropía , incrementando la fuerza de contracción y permitiendo que los músculos se relajen más rápidamente. ^{[ 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 del gen DCO (que codifica la subunidad catalítica de la PKA) pueden causar graves dificultades de aprendizaje, problemas de memoria a medio y corto plazo. La memoria a largo plazo depende del factor de transcripción CREB, regulado por la PKA. Un estudio realizado en drosophila informó que un aumento en la actividad de la PKA puede afectar la memoria a corto plazo. Sin embargo, una disminución del 24 % en la actividad de la PKA inhibió las capacidades 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 altamente sensible a los niveles de PKA. ^{[ 22 ]}