Proteinkinasen

Proteinkinasen stellen eine eigene Familie von Kinasen dar. Kinasen sind Enzyme die in höheren Zellen die zweithäufigste Proteinklasse bilden. Bei den Proteinkinasen handelt sich um Enzyme die als Substrat alkoholische Aminosäurereste von Proteinen erfassen. Bei den Proteinkinasen sind 7 Hauptgruppen mit > 500 humanen Proteinkinasen bekannt. 

Unter den Proteinkinasen gibt es multifunktionelle Enzyme, die zahlreiche Proteinsubstrate phosphorylieren und hochspezifische Proteinkinasen die nur ein einzelnes Protein phosphorylieren können. Die Wirkung dieser Kinasen kann durch spezialisierte Protein-Phosphatasen (Hydrolasen) wieder rückgängig gemacht werden. Proteinkinasen (ebenso wie ihre Gegenspieler die Proteinphosphatasen, sind wichtige Regulatoren von Zellfunktionen. So sind sie wesentlich an der Signaltransduktion und der Koordination komplexer Funktionen wie dem Zellzyklus beteiligt.

Der erste Schritt für die Signalweiterleitung ist die Aktivierung der Kinasen selbst; dieser Schritt ist letztlich noch nicht gänzlich geklärt. Wahrscheinlich spielt eine Konformationsänderung der Proteinstruktur der Rezeptoren nach Ligandenbindung eine entscheidende Rolle für die aktivierung.

Die enzymatische Phophorylisierung (Funktion der Kinasen) eines Proteins ist- ebenso sowie seine Dephosphorylierung (durch Phosphatasen)- eine irreversible, sorgfältig kontrollierte Reaktion.

Durch die Einführung einer Phosphatgruppe mit ihren beiden negativen Ladungen ändern sich lokal die elektrostatischen Verhältnisse. Es kommt zu deutlichen Konformationsänderungen, die die biologische Aktivität des Substratproteins ändern. Wenn dieses Protein ebenfalls eine Protein-Kinase ist, kommt es zu Enzymkaskaden mit großem Verstärkungseffekt.

Von solchen Protein-Kinase-Kaskaden wird in der Signaltransduktion häufig Gebrauch gemacht. Als Zielgruppe für Kinasen kommen grundsätzlich nur Seitenketten von Aminosäuren in Frage. So betreffen etwa 90% aller Phosphorylierungen die Aminosäuren Serin und Threonin (Enzym=Serin-Threonin-Kinasen) und nur 1% die Aminosäure Tyrosin (Enzym=Tyrosinkinasen).

Proteinkinasen werden entweder nach der Art der modifizierten Gruppe (Serin, Threonin, Tyrosin: Serin-Kinasen, Threonin-Kinasen, Tyrosin-Kinasen) benannt, oder sie werden nach ihrem Aktivierungsmechanismus (z. B. Proteinkinase A, Proteinkinase B, Proteinkinase C, Proteinkinase G) unterteilt. Die Struktur der Proteinkinasen zeigt prinzipiell einen ähnlichen Aufbau. Sie werden aus 2 Molekülteilen gebildet, die durch ein kurzes Polypeptid verknüpft sind. Der obere Anteil besteht aus einer Beta-Faltbattstruktur. Der untere, vorwiegend alpha-helikale Teil enthält die Substratbindungsstelle. ATP beispielsweise bindet in der tiefen Spalte zwischen diesen Molekülteilen. Gemeinsam ist den Proteinkinasen die Funktion eines Schalters, der in aktiver oder inaktiver Form vorliegen kann.

Beispiele für funktionell bedeutende Proteinkinasen:

• Serin/Threonin-Proteinkinasen: Sie bilden die bei weitem größte Gruppe von Enzymen (mit versch. Subfamilien), die generell mit der Signaltransduktion im Zytoplasma assoziiert ist. Zu dieser Kinasefamilie gehören folgende Kinasen:
• Checkpoint-Kinasen CHK1, CHK2: Checkpoint-Kinasen: Die Proteinkinasen CHK1 und CHK2 (Checkpoint-Kinase 1/2) werden durch die gleichnamigen Gene (CHEK1/2) auf Chromosom 11 q24.2, bzw. auf Chromsom 22 q12.1) kodiert. Beide Checkpoint-Kinasen gehören zu den Serin/Threonin-Kinasen. Wenn CHK1 während der S-Phase des Zellzyklus aktiviert wird, verhindert diese Aktivierung den Übergang in die G2-Phase. Dies kann zum Überleben von Tumorzellen beitragen und daher auch zur Therapieresistenz. CHK2 wurde ursprünglich als Zellzyklus-regulierende Kinase identifiziert. Die Kinase ist in die DNA-Reparatur involviert.
• Proteinkinase vom Typ A:  Die Proteinkinase vom Typ A (PKA), ist eine cAMP-abhängige intrazelluläre Serin/Threonin-Kinase, die u.a. an zahlreichen Reaktionen des Energiestoffwechsels beteiligt ist. Werden 4 cAMP an die regulatorische Einheit der PKA binden, werden die aktiven katalytischen Untereinheiten freigesetzt, die an den versch. Proteinen deren Phosphorylierung katalysieren, was zu den Substraten der Kinase zählen u.a. MAP-Kinasen und Transkriptionsfaktoren wie NF-κB.
• Proteinkinase vom Typ B (PKB, Proteinkinase Akt): PKBs sind Serin/Threonin Proteinkinasen, die durch eine Phosphorylierung aktiviert werden. Die Proteinkinase vom Typ B ist an der Regulation zentraler Stoffwechselwege beteiligt, z.B. an der Insulinwirkung. PKBs sind weiterhin Effektoren des Phosphoinositol-Weges. Die Inaktiven Kinasen finden sich im Zytoplasma.
• Proteinkinase vom Typ C (PKC): PKCs sind Zink-haltige Serin/Threonin-Proteinkinasen, die von dem Second Messenger DAG aktiviert werden. PKCs kommt in mindestens 11 Isoformen vor, die sich auch in ihren Funktionen unterscheiden. Durch die Bindung an DAG werden sie an die Plasmamembran fixiert. Ihre Interaktion mit Phospholipiden erfordert Ca2+--Ionen. Die Membranassoziation der PKC wird durch spezielle Membranproteine gefördert, die als Rezeptoren für aktivierte Protein-Kinase C (RACK-Proteine) bezeichnet werden. Die Aktivität der PKC wird über Hormone und Neurotransmitter gesteuert, deren Signal über sekundäre Botenstoffe, (Second Messenger), weitergeleitet wird. Zu den Zielmolekülen zählen u.a. MAP-Kinasen und Transkriptionsfaktoren wie NF-κB. Die Proteinkinase C kann wieder Rezeptoren, Kanäle und andere Funktionsproteine phosphorylieren und dadurch ihre Aktivität steuern.

• MAP-Kinasen: MAP steht für "Mitogen-activated protein", gehören zu der Klasse der Proteinkinasen und hier wiederum zu den Serin/Threonin-Kinasen. Sie phosphorylieren Proteine an Serin- oder Threoninresten. MAP-Kinasen sind ein Teil von hochkonservierten Signalkaskaden, welche unter anderem Zellwachstum, Differenzierung und Apoptose entscheidend steuern.

  ERK: Die Proteinkinase ERK (ERK steht für „extracellular-signal regulated kinases“) und ist eine Serin/Threonin-Kinase die zu der Gruppe der Mitogen-aktivierten Proteinkinasen (MAP-Kinasen) gehören. Von ERK existieren 8 Isoformen.

• Tyrosin-Protein-Kinasen: Tyrosin-Protein-Kinasen kommen mehrheitlich als Membranrezeptoren vor und werden durch externe Ligandenbindung (Rezeptor-Tyrosin-Kinasen). Aber auch zytoplasmatische Tyrosin-Kinasen sind bekannt (sog. Nicht-Rezeptor-Tyrosin-Kinasen).
• Rezeptor-Tyrosin-Kinasen sind Membranproteine, die eine Liganden-gesteuerte, intrinsische Enzymaktivität besitzen. Bekannt sind > 50 Rezeptor-Tyrosin-Kinasen. Liganden sind z.B. Insulin, der epidermale Wachstumsfaktor EGF und der Plättchen-Wachstumsfaktor PGDF. Weitere Liganden sind: Fibroblasten-Wachstumsfaktor, der Insulin-ähnliche Wachstumsfaktor IGF1/ IGF2, der Nervenwachstumsfaktor, PDGF (Plättchen-Wachstumsfaktor) und der Transformierende Wachstumsfaktor alpha (TGF-α).
• Rezeptoren mit assoziierten Protein- Tyrosin-Kinasen: Als Liganden dienen Erythropoetin, die Interferone alpha, beta und gamma, die Interleukine 1-7,9,12,15, Tumornekrosefaktor (TNF), Wachstumshormon (GH). Diese Peptide zeigen keine Kinase-Aktivität, enthalten aber ein oder mehrere als ITAM (immunoreceptor tyrosine activation motif) bezeichnete Motive.
• Protein-Kinasen mit doppelter Spezifität (Serin/Threonin und Tyrosin): Diese Kinasen bilden nur eine kleine Gruppe, zu der MEK1 gehört.
• Histidin- und Asparagin-Kinasen: Protein-Kinasen die andere Aminosäuren phosphorylieren, nämlich Histidin und Asparagin, spielen im humanen Stoffwechsel nur eine untergeordnete Bedeutung.