蛋白激酶C ( PKC）是一类使底物蛋白分子内丝氨酸／苏氨酸残基发生磷酸化的蛋白激酶家族。PKC最早是由Nishizuka等人于1977年在鼠脑中发现的，并定义为可被限制性蛋白水解酶激活的一种组织蛋白激酶。随后，人们发现这一激酶同样可以被磷脂酞丝氨酸（PS)和甘油二酯(DG）以及佛波酯(PMA）等激活。迄今为止，通过分子克隆及酶学分析，发现PKCs至少由10种同工酶组成。作为细胞信号转导通路中的重要组成成员，PKC参与了受体的去敏感化、细胞生长及转录的调节、免疫反应、脑发育、突触可塑性、学习和记忆等多种生理过程，以及癫痫、缺血／低氧和神经元凋亡坏死等病理生理过程。本章就PKC的分类、分布、结构、激活机制、受体蛋白和作用底物，以及可能参与的部分神经病理生理过程等方面的研究进展情况作一简述。

1 PKC家族成员及其分类

迄今为止，哺乳动物细胞内的PKC家族被认为是由9个基因编码的10个亚型（或同工酶）组成。根据各亚型的结构及所需激活物的不同，将PKC分为3组：①经典型PKC ( classical or conventional PKC,cPKC）包括a、βI、βII和，等4种亚型，该组PKC具有典型结构，可被甘油二酯(DAG )、Ca2＋和磷脂酰丝氨酸（PS）或佛波酯（phorbolester, PMA）等激活；②新奇型PKCs（novel PKC，nPKC)，该组包括δ、ε、η和θ等4种亚型，其激活只需要DAG或PMA;③非经典型PKC (atypical PKC, aPKC )包括ι/λ和ζ等两种，目前其确切的激活机制尚不清楚，人们只知道这两种亚型的激活不依赖于Ca2＋或DAG,但依赖于PS并可被磷酸肌醇一3激酶(P13 K）激活。

此外，人们还发现了PKC μ和PKCv的存在，现在已分别被命名为PKDI和PKD3 。PKD可被DAG或PMA激活，在细胞信号转导中被认为是nPKC的下游作用底物。

2 PKC的组织分布

PKC同工酶广泛存在于各种组织细胞中，且在特定类型细胞中存在着不止一种PKC亚型（表4.1)。如对于哺乳动物，a、δ和ζ分布于全身各种组织；βI、βII和ε不仅存在于脑组织中，在非神经性组织中含量也很丰富。同时，一些PKC亚型的分布具有很强的组织和细胞特异性，如cPKCγ主要局限于正常的中枢神经组织；nPKCη则主要分布于肺、皮肤和心肌中；nPKCθ主要存在于骨骼肌；而 aPKCι/λ主要分布于卵巢和翠丸。由于PKC的不同亚型可使不同的底物蛋白磷酸化和激活不同的细胞信号转导通路。因此，PKC可在一系列的细胞功能上发挥特定的作用。

PKC为单条多肤链，其分子量为77-87kD，等电点（isoelectricpoint, pI)约为5.6，最适pH为7.5-8.0。有限的蛋白水解可产生一个具有全活性的、约50kD大小的激酶结构域（Catalytic domain，又称PKM);另一个为30kD的调节结构域（regulatory domain)，它可与激动剂（activators）和协同激活剂（cofactors) 、DAG、Ca 2十和磷脂等结合。PKC的氨基酸序列可分为4个保守的功能区(Cl-C4）和5个可变区（V1-V5) 。氨基末端（N）的调节结构域（包括V1、C1、V2和C2）与羧基末端（C）催化结构域（C3、V4、C4和V5）通过一个可被蛋白酶水解的“铰链区”( hinge region，即V3区）连接，该区在酶的激活过程中易变，从而使PKC活性部位暴露。Cl区是膜结合区，形成所谓的锌指样结构，是PKC激活剂DAG和佛波酯(PMA）的结合位点。C2区为酶的Ca2＋敏感区，nPKC缺乏C2区，因而对Ca2＋不敏感。C3和C4区分别含有ATP和底物的结合位点。V1区可能与PKC的底物选择性有关，PKC各同工酶vi区的结构及组成的差异决定了各同工酶底物的多样性。在C1区前存在一个假底物（pseudosubstrate）片段，对PKCs活性部位起保护作用。

C1结构域

cPKC和nPKC所有亚型的N末端都包含1个完整的C1结构域，这个结构域又由2个重复锌指模体（Zinc一finger motifs) , ClA和C1B组成（图4.1)。应用基因突变和缺失，以及蛋白分子结晶等方法已证明，C1结构域是PMA的结合位点，且DAG与PMA竞争结合同一位点。aPKC虽然也有一个锌指模体，即非典型的C1结构域，但对PMA无反应。aPKC非典型C1结构域与ClA有很高的同源性，但其功能目前尚不清楚。

此外，其他一些哺乳动物蛋白也具有C1结构域，比如DAG激酶、chimaerin、PKD和Raf等。因此，PKD是一种可被PMA和DAG激活的蛋白激酶。

C2结构域

在cPKC的N末端，C2结构域紧邻V2可变区和C1结构域。与C1结构域相似，C2结构域也存在于其他一些蛋白分子内，如synaptotag-mins, rabphilin-3A, phospholipases和GAPs。C2结构域是Ca2+ /PS的结合位点。近来的研究发现，在nPKC和aPKC分子中，同样存在着C2样结构域（C2-like domains)。目前，人们认为C2结构域和C2样结构域可能介导了蛋白一蛋白间的相互作用，如nPKCs一GAP43间的相互作用。

假底物

在cPKC、nPKC和aPKC的N末端，紧邻C1结构域有一条含PKC磷酸化位点的类似氨基酸序列，只是由甘氨酸代替了丝氨酸／苏氨酸的位置，这段氨基酸序列被称为“PKC的假底物”。这段假底物与激酶结构域相互作用，起到分子内对激酶活性的抑制作用。PKC之所以处于失活状态，就是由于假底物占据了PKC的底物结合部位。DAG和Ca2十通过促进C1和C2结构域与细胞膜的结合，将PKC招募到细胞膜上—膜转位。这种与细胞膜的相互作用可使PKC的底物结合部位释放假底物，从而允许PKC作用底物的结合，并发生磷酸化反应。然而，在这种构象改变（或膜转位）发生前，PKC本身必须先被磷酸化修饰（下面详述）。

V5可变区

尽管PKC的V5可变区很短（约50个氨基酸残基），且很难作为蛋白结构来考虑，但它却在激酶功能上发挥着重要的调节作用。在对人U937细胞系cPKCβI和βII的研究中发现，PKC的V5可变区在细胞内定位方面发挥关键性作用。类似结果同样在MOLT-4T淋巴母细胞系得到了证实。此外，V5可变区在PKC自磷酸化中也发挥着重要作用。如cPKCs的V5可变区内有2个磷酸化位点，其中之一为上游激酶，非 PKC激酶（non-PKC kinase）的靶点。

激酶结构域

PKA、PKB/Akt和PKC的激酶结构域高度保守，大约超过40％的氨基酸序列是一致的。PKA激酶结构域的晶体结构于1991年首先被阐明。到目前为止，人们已了解到30多个蛋白激酶的结构，并发现它们具有共同的蛋白折叠方式。一种两叶结构，N末端叶由β折叠组成，C末端叶由a螺旋组成；ATP和作用底物结合部位在两叶间的裂缝内。

PKC的活性调节

在PKC的激酶结构域有3个保守的磷酸化模体(motif)，即激活环（activation loop)、翻转模体（turn motif）和疏水模体（hydrophobic motif)。这3个模体作为磷酸化调节开关，控制着PKC分子内和分子间的相互作用。3个模体的自磷酸化修饰是PKC能否使作用底物发生磷酸化的先决条件。未被磷酸化修饰的PKC处于失活状态。

激活环（activation loop)

PKC激活环内的苏氨酸残基（Thr )，与cPKCR II相对应的是Thr500，必须先被磷酸化修饰，才能使作用底物发生磷酸化。动力学研究表明，激活环的磷酸化可明显增加蛋白激酶对磷酸基团的转移速率。PKC激活环的磷酸化修饰依赖于上游激酶-PDK-1 (3-phosphoinositide-dependent protein kinase-1）。此外，对于PKB及其他一些AGC激酶来讲，这一磷酸化反应也都是由PDK-1来完成的。

PDK-1

现已证明，PDK-1是cPKC、nPKC和aPKC等激活环内的上游激酶，并影响PKC的生物功能。实验发现，在缺乏PDK-1的干细胞内，PKC亚型的表达水平明显降低，并且其稳定性也与非磷酸化形式的PKC类似。PDK-1的作用底物PKC需要处于正确的位置和正确的构象，才可被PDK-1磷酸化。如cPKC首先要与膜结合，且处于“open”构象（底物结合
部位不被假底物占据）时，才能成为PDK-1的作用底物。此外，需要强调的是，PDK-1使cPKC磷酸化，但并不能直接激活它们。

翻转模体（turn motif)

PKC C末端的翻转模体内，也有一个磷酸化位点（如cPKC分子内的Thr)。翻转模体的磷酸化修饰对激酶核心的稳定性具有重要作用，因为它可使PKC的C末端锚定在激酶核心上叶的顶端。

疏水模体（hydrophobic motif)

PKC激酶核心的第三个磷酸化位点位于C末端的疏水模体内，疏水模体为PDK-1提供了停泊位点（docking site)。其磷酸化可使C末端的氨基酸排列更有利于催化反应。另外要强调的是，翻转模体和疏水模体内的磷酸化修饰是一种分子内自磷酸化反应。

PKC的激活过程

关于PKC的完全磷酸化或以“成熟”形式转位到细胞膜的研究报道是PKC领域的里程碑性成果，即PMA处理细胞可使PKC发生膜转位。细胞荧光成像为人们详细了解PKC膜转位的分子机制提供了技术保障。

对于cPKC和nPKC来讲，细胞内大量的同工酶以成熟形式存在，并主要分布在胞质内。同工酶的结合蛋白（partners）也可能将PKC定位在细胞内的特定部位上。大量的同工酶弥散地分布在细胞质内，偶尔与细胞膜碰撞，但又迅速地离开，因为它们与细胞膜之间无明显的相互作用。当信号使细胞内Ca2＋和DAG水平升高时，cPKC将发生如下变化：Ca2＋与胞质内cPKC的C2结构域结合，并迅速地引起cPKC与细胞膜的碰撞，然后C2结构域与细胞膜接合，并将cPKC拴在细胞膜上。这是一种低亲和性的相互作用，其能量不能激活cPKC。cPKC需要在细胞膜上作进一步的平面扩散运动，来寻找嵌合在细胞膜内的配体一DAG。DAG与Cl结构域的结合可引起cPKC与细胞膜间高亲和性相互作用，相互作用的能量可使cPKC的底物结合部位释放假底物。在这种“open”构象下，成熟的PKC可与作用底物结合、发生磷酸化反应，从而完成细胞信号向下游的转导过程（图4.2)。
由于没有Ca2＋敏感的C2结构域，nPKC不能被事先靶向到细胞膜上。因此，它们的膜转位幅度要比cPKC至少低一个数量级，并大大地降低了与膜内配体（DAG）相遇的可能性。

尽管aPKC对DAG和Ca2十均不发生反应，但aPKC亚型的激活还是需要PDK-1的磷酸化修饰。与cPKC和nPKC不同，PI-3K可使aPKC激活环的磷酸化水平中度升高。这类同工酶的假底物同样需要变构调节，但其调节机制还不像cPKC和nPKC那样清楚。

总之，PKC的激活过程为（图4.2)：新合成的PKC与细胞膜交联，C末端暴露并与PDK-1结合；PDK-1使PKC激活环磷酸化，并触发翻转模体和疏水模体的自磷酸化反应，PKC成熟；在细胞外信号刺激下，细胞内Ca2＋和DAG水平升高，Ca2＋与胞质内PKC的C2结构域结合，并迅速地引起C2结构域与细胞膜接合，并将PKC拴在细胞膜上；然后，细胞膜上的DAG与C1结构域结合引起PKC与细胞膜间相互作用，使PKC的底物结合部位释放假底物；在这种“open”构象下，成熟的PKC可与作用底物结合并发生磷酸化反应，从而完成细胞信号的转导过程。