Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e di Mauro Tonellato

Proteina Chinasi
c-AMP Dipendente
(PKA)



Molecola del Mese di Agosto 2012
Parole chiave: chinasi, metabolismo energetico, PKA, proteina chinasi A, trasduzione del segnale, AMP ciclico

Introduzione
I gruppi fosfato sono perfetti per modificare la funzione delle proteine: hanno una forte carica negativa, sono abbastanza voluminosi e possono fare molti legami idrogeno. Quando un gruppo fosfato viene legato o rimosso da una proteina, modifica la forma e la flessibilità della catena proteica e fornisce un appiglio ben riconoscibile da parte di altre proteine. Le cellule sfruttano molto queste caratteristiche, così, in una cellula tipica, i gruppi fosfato vengono usati per regolare la funzione di oltre il 30% delle proteine.

Aggiungere Fosfati
Gli enzimi Proteina Chinasi hanno il compito di aggiungere o rimuovere gruppi fosfato dalle proteine. Quello mostrato qui a fianco è un enzima proteina chinasi cAMP-dipendente, conosciuto anche come Proteina Kinasi A o PKA (file PDB 3tnp, 1j3h e 2h9r). E' composto da due tipi di subunità.
La subunità catalitica, mostrata qui in rosa, realizza la reazione di aggiunta del fosfato.
La subunità regolatoria, mostrata in blu, sente i livelli di AMP ciclico e accende o spegne la subunità catalitica.
Quando i livelli di cAMP sono bassi, un dimero della subunità regolatoria si lega a due copie della subunità catalitica formando un complesso inattivo (mostrato in alto).
Quando invece i livelli di cAMP sono alti, il cAMP si lega alla subunità regolatoria che rilascia la subunità catalitica e questa torna così attiva (mostata in basso).

Doppio Controllo
L'enzima PKA realizza una tappa essenziale in una cascata di segnali che controllano l'utilizzo di energia nella cellula. Alcuni recettori come quello beta adrenergico (mdm 4-2008) o il recettore del glucagone stimolano la produzione di AMP ciclico attraverso il sistema delle proteine G (mdm 10-2004). Il cAMP attiva la PKA che quindi fosforila molte proteine coinvolte nella produzione di energia. La PKA regola il funzionamento di proteine, come la glicogeno sintasi e la piruvato chinasi, sia direttamente, modificandone la struttura, sia indirettamente, governandone la sintesi a partire dal DNA fosforilando i corrispondenti fattori di trascrizione.

Chinasi Regolatorie
Queste chinasi devono essere regolate con precisione perchè aggiungano fosfati al momento giusto e nel posto giusto. Le nostre cellule sintetizzano molti tipi di subunità regolatorie per le PKA. Mescolando e combinando tra loro queste subunità, cellule diverse possono regolare con precisione il funzionamento delle PKA a seconda delle loro esigenze. Inoltre le subunità di regolazione formano dei complessi con proteine di sostegno conosciute come proteine AKAP. Questi sostegni mantengono la PKA vicina alle altre proteine con cui deve interagire nella cascata di segnalazione e questo consente di realizzare una regolazione ancora migliore. Nelle figure in alto si vede un piccolo frammento di una proteina AKAP evidenziato in verde.

Fermare il segnale
Le cellule hanno anche la necessità di fermare il segnale portato da cAMP. Alcune specifiche fosfodiesterasi rompono lo strano legame fosfato ciclico del cAMP formando AMP e lo rendono inattvo come molecola di segnalazione. Le cellule sintetizzano molti tipi di fosfodiesterasi per adattare la segnalazione del cAMP alle necessità di ogni tipo di cellula.
La caffeina (lo stimolante del caffè) e la teofillina (lo stimolante del tè) inibiscono molte forme di questo enzima, prolungando così il segnale stimolatorio del cAMP.
Altre molecole, invece, hanno un effetto molto più mirato come i farmaci usati nella cura della disfunzione erettile, Levitra e Viagra, che inibiscono in modo specifico solo un tipo di fosfodiesterasi, la PDE-5 mostrata qui a fianco dal file PDB 1xp0 con la molecola di Levitra in viola.



Esplorando la Struttura

La subunità catalitica della PKA è molto flessibile, si apre e si chiude durante la reazione di aggiunta del fosfato. Come in molti enzimi che usano ATP, il sito attivo si trova in profondità all'interno dell'enzima, inoltre vi sono più ioni metallici che mantengono ATP nella posizione ideale. I cristallografi hanno determinato la struttura dell'enzima in momenti diversi della reazione e li hanno fissati nelle strutture cristalline PDB 1j3h, 2cpk, 1atp, 1jlu e 1bx6 che vengono illustrate qui sotto.



In queste due prime immagini (file PDB 1j3h e 2cpk) si vede, a sinistra, la subunità catalitica vuota, mentre a destra contiene un frammento di proteina azzurro legato nel sito attivo. Si noti che la prima struttura si trova nella posizione aperta, mentre la seconda è più chiusa per avvolgere meglio la proteina azzurra.



In queste due immagini (file PDB 1atp e 1jlu) si vede, a sinistra, la subunità catalitica prima che avvenga la reazione di fosforilazione, che contiene nel sito attivo, oltre alla proteina azzurra, anche ATP, la molecola che dona il gruppo fosfato.
Sulla destra si vede la situazione dopo che è avvenuta la reazione di fosforilazione, la subunità catalitica contiene la proteina azzurra fosforilata, il gruppo fosfato è mostrato con atomi arancioni (fosforo) e rossi (ossigeno). Si noti che ATP (ormai diventato ADP) non è più presente.



In quest'ultima immagine ( file PDB 1bx6) si vede la subunità catalitica legata al balanolo (viola), un inibitore naturale di questo enzima prodotto da un fungo. L'inibitore si è legato nel sito di legame dell'ATP e quindi impedisce alla subunità catalitica di reagire.

Spunti per Ulteriori Esplorazioni
1 - Potete usare lo strumento "Ligand Explorer" nel sito PDB per osservare le molte interazioni che trattengono ATP e altre molecole simili nella giusta posizione nel sito attivo della PKA
2 - Negli archivi PDB sono disponibili le strutture di molte subunità regolatorie della PKA. Potete usare lo strumento "Compare Structures" per cercare somiglianze e differenze tra queste subunità, per esempio tra le strutture dei file PDB 1rgs, 1cx4 e 4din.

Bibliografia
1. D. A. Johnson, P. Akamine, E. Radzio-Andzelm, Madhusudan & S. S. Taylor (2001) Dynamics of cAMP-dependent protein kinase. Chemical Reviews 101, 2243-2270.
2. S. S. Taylor, C. Kim, D. Vigil, N. M. Haste, J. Yang, J. Wu & G. S. Anand (2005) Dynamics of signaling by PKA. Biochimica et Biophysica Acta 1754, 25-37.
3. S. H. Francis, M. A. Blount & J. D. Corbin (2011) Mammalian cyclic nucleotide phosphodiesterases: molecular mechanisms and physiological functions. Physiological Reviews 91. 651-690.


Codici PDB Correlati
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