Defosforilare - Dephosphorylation

În biochimie , defosforilarea este îndepărtarea unei grupări fosfat (PO 4 3− ) dintr-un compus organic prin hidroliză . Este o modificare reversibilă după traducere . Defosforilarea și omologul său, fosforilarea , activează și dezactivează enzimele prin detașarea sau atașarea esterilor fosforici și anhidride . O apariție notabilă a defosforilării este conversia ATP în ADP și fosfat anorganic.

Defosforilarea folosește un tip de enzimă hidrolitică, sau hidrolază , care clivează legături esterice. Subclasa proeminentă de hidrolază utilizată în defosforilare este fosfataza , care elimină grupările fosfat prin hidrolizarea monoesterilor de acid fosforic într-un ion fosfat și o moleculă cu o grupare hidroxil liberă (-OH).

Reacția reversibilă de fosforilare-defosforilare are loc în fiecare proces fiziologic, făcând necesară funcționarea corectă a fosfatazelor proteice pentru viabilitatea organismului. Deoarece defosforilarea proteinelor este un proces cheie implicat în semnalizarea celulară , fosfatazele proteice sunt implicate în afecțiuni precum boala cardiacă, diabetul și boala Alzheimer.

Istorie

Descoperirea defosforilării a venit dintr-o serie de experimente care examinează enzima fosforilază izolată din mușchiul scheletic al iepurelui. In 1955, Edwin Krebs și Edmond Fischer folosit ATP radiomarcat pentru a determina care fosfatul este adăugat la restul de serină din fosforilaza pentru convertirea de la ei b la o formă prin fosforilare. Ulterior, Krebs și Fischer au arătat că această fosforilare face parte dintr-o cascadă de kinază. În cele din urmă, după purificarea formei fosforilate a enzimei, fosforilaza a , din ficatul de iepure, cromatografia cu schimb de ioni a fost utilizată pentru a identifica fosfoproteina fosfataza I și II.

De la descoperirea acestor proteine ​​defosforilante, natura reversibilă a fosforilării și defosforilării a fost asociată cu o gamă largă de proteine ​​funcționale, în primul rând enzimatice, dar inclusiv proteine ​​nonenzimatice. Edwin Krebs și Edmond Fischer au câștigat Premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină din 1992 pentru descoperirea fosforilării reversibile a proteinelor.

Funcţie

PTEN, o fosfatază.
Structura cristalografică a fosfatazei umane și omologului tensinic (PTEN). Site- ul activ al domeniului albastru de fosfatază N-terminală este prezentat în galben. Domeniul C-terminal C2 este afișat în roșu.

Fosforilarea și defosforilarea grupărilor hidroxil aparținând aminoacizilor neutri, dar polari precum serina, treonina și tirozina din proteinele țintă specifice este o parte fundamentală a reglării fiecărui proces fiziologic. Fosforilarea implică modificarea covalentă a hidroxilului cu o grupare fosfat prin atacul nucleofil al fosfatului alfa din ATP de către oxigenul din hidroxil. Defosforilarea implică îndepărtarea grupării fosfat printr-o reacție de hidratare prin adăugarea unei molecule de apă și eliberarea grupării fosfat originale, regenerând hidroxilul. Ambele procese sunt reversibile și oricare mecanism poate fi utilizat pentru a activa sau dezactiva o proteină. Fosforilarea unei proteine ​​produce multe efecte biochimice, cum ar fi schimbarea conformației sale pentru a modifica legarea sa la un ligand specific pentru a crește sau reduce activitatea sa. Fosforilarea și defosforilarea pot fi utilizate pe toate tipurile de substraturi, cum ar fi proteinele structurale, enzimele, canalele de membrană, moleculele de semnalizare și alte kinaze și fosfataze. Suma acestor procese este denumită fosfororeglare. Deregularea fosforilării poate duce la boli.

Modificare post-traducătoare

În timpul sintezei proteinelor, lanțurile polipeptidice, care sunt create de ribozomi care traduc ARNm, trebuie procesate înainte de a presupune o conformație matură. Defosforilarea proteinelor este un mecanism pentru modificarea comportamentului unei proteine, adesea prin activarea sau inactivarea unei enzime . Componentele aparatului de sinteză a proteinelor suferă de asemenea fosforilare și defosforilare și astfel reglează ratele de sinteză a proteinelor.

Ca parte a modificărilor post-tradiționale, grupurile fosfat pot fi îndepărtate din serină, treonină sau tirozină. Ca atare, căile de transducție a semnalului intracelular depind de fosforilarea și defosforilarea secvențială a unei largi varietăți de proteine.

ATP

Articol principal: trifosfat de adenozină
A se vedea, de asemenea: Rolul defosforilării în boală
ATP 4− + H 2 O ⟶ ADP 3− + HPO 4 2− + H +

Adenozin trifosfatul , sau ATP, acționează ca o „monedă” de energie liberă în toate organismele vii. Într-o reacție de defosforilare spontană se eliberează 30,5 kJ / mol, care este valorificat pentru a conduce reacții celulare. În general, reacțiile nespontane cuplate la defosforilarea ATP sunt spontane, datorită schimbării negative a energiei libere a reacției cuplate. Acest lucru este important în stimularea fosforilării oxidative. ATP este defosforilat în ADP și fosfat anorganic.

La nivel celular, defosforilarea ATPazelor determină fluxul de ioni în și din celulă. Inhibitorii pompei de protoni sunt o clasă de medicamente care acționează direct asupra ATPazelor tractului gastro-intestinal.

Defosforilarea în alte reacții

Alte molecule, în afară de ATP, suferă defosforilare ca parte a altor sisteme biologice. Diferiți compuși produc diferite schimbări de energie liberă ca urmare a defosforilării.

Moleculă Schimbarea energiei libere
Acetil fosfat 47,3 kJ / mol
Glucoza-6-fosfat 13,8 kJ / mol
Fosfoenolpiruvat (PEP) -61,9 kJ / lună
Fosfocreatina 43,1 kJ / lună

Psilocibina se bazează, de asemenea, pe defosforilare pentru a fi metabolizată în psilocină și eliminată în continuare. Nu sunt disponibile în prezent informații despre efectul psilocibinei asupra modificării energiei libere.

Importanța defosforilării în Photosystem II

Primul complex proteic al componentelor fotosintezei reacții dependente de lumină este denumit fotosistem II . Complexul folosește o enzimă pentru a captura fotonii de lumină, oferind un proces de fotosinteză mai mare cu toți electronii necesari pentru a produce ATP. Fotosistemul II este deosebit de sensibil la temperatură, iar desfosforilarea a fost implicată ca un factor de plasticitate în răspunsul la temperaturi variate. Defosforilarea accelerată a proteinelor în membranele tilacoide fotosintetice are loc la temperaturi ridicate, afectând direct desfosforilarea proteinelor cheie din complexul fotosistem II.

Rolul defosforilării în boală

Patologie

Defosforilarea excesivă a membranei ATPaze și pompe de protoni în tractul gastro-intestinal duce la rate mai mari de secretie a acizilor peptici caustici. Acestea duc la arsuri la stomac și esofagită. În combinație cu infecția cu Helicobacter pylori , boala ulcerului peptic este cauzată de provocările ridicate de defosforilare a pH-ului.

Proteina tau asociată cu microtubuli este anormal de hiperfosforilată atunci când este izolată din creierul pacienților care suferă de boala Alzheimer . Acest lucru se datorează disfuncției mecanismelor de defosforilare la aminoacizi specifici proteinei tau. Defosforilarea Tau este catalizată de proteina fosfatază-2A și fosfatază-2B. Deficiența sau modificarea uneia sau a ambelor proteine ​​pot fi implicate în fosforilarea anormală a tau în boala Alzheimer

Defosforilarea a fost, de asemenea, legată de boli cardiace , în special de modificarea interacțiunilor actină-miozină, care sunt esențiale pentru furnizarea forței subiacente a bătăilor inimii. Defosforilarea este o parte esențială a cineticii ciclului miozinei care controlează direct interacțiunile actină-miozină. Când procesul de defosforilare este întrerupt, contracția cardiacă dependentă de calciu este afectată sau complet dezactivată.

Cercetările au sugerat, de asemenea, că modificările aduse defosforilării au impact asupra proceselor fiziologice implicate în diabetul zaharat . Cinetica defosforilării substratului receptorului de insulină-1/2, Akt și ERK1 / 2, se arată că fosfoproteinele sunt implicate în semnalizarea receptorilor de insulină, iar modelele in vitro demonstrează că modificările cineticii defosforilării influențează stimularea insulinei în amonte și în aval.

Tratamente

Inhibarea pompelor de protoni scade semnificativ aciditatea tractului gastro-intestinal, reducând simptomele bolilor legate de acid. Modificarea rezultată a pH-ului scade supraviețuirea bacteriei H.pylori , o cauză majoră a bolii ulcerului peptic. Odată ce inhibitorul pompei de protoni eradică această bacterie din intestin, inversând refluxul eroziv. Tratamentul bolilor de inimă sa îmbunătățit odată cu utilizarea medicamentelor care inhibă AMPK prin defosforilare. În tratamentul diabetului, medicamentele cu sulfoniluree sunt capabile să stimuleze defosforilarea transportorului de glucoză GLUT4 , scăzând rezistența la insulină și creșterea și utilizarea glucozei.

Aplicații de cercetare

Defosforilarea poate juca un rol cheie în biologia moleculară, în special clonarea folosind enzime de restricție . Capetele tăiate ale unui vector se pot lega din nou în timpul unei etape de ligare datorită fosforilării. Folosind o fosfatază defosforilantă, re-ligarea poate fi evitată. Aceste fosfataze alcaline provin adesea în mod natural, cel mai frecvent din intestinul vițelului și sunt prescurtate ca CIP .

Vezi si

Referințe

  1. ^ Ardito, Fatima (august 2017). "Rolul crucial al fosforilării proteinelor în semnalizarea celulară și utilizarea acesteia ca terapie țintită (revizuire)" . Int J Mol Med . 40 (2): 271-280. doi : 10.3892 / ijmm.2017.3036 . PMC  5500920 . PMID  28656226 .
  2. ^ Hertog, den Jeroen (noiembrie 2003). „Reglarea proteinelor fosfatazice în boli și comportament” . Rep . EMBO 4 (11): 1027-1032. doi : 10.1038 / sj.embor.7400009 . PMC  1326379 . PMID  14578923 .
  3. ^ FISCHER, EH; KREBS, EG (septembrie 1955). „Conversia fosforilazei b în fosforilază a în extracte musculare” . Jurnalul de chimie biologică . 216 (1): 121-32. doi : 10.1016 / S0021-9258 (19) 52289-X . PMID  13252012 .
  4. ^ Khandelwal, RL; Vandenheede, JR; Krebs, EG (25 august 1976). "Purificarea, proprietățile și specificitățile substratului fosfoproteinei fosfatazei (fosforelor) din ficatul de iepure" . Jurnalul de chimie biologică . 251 (16): 4850-8. doi : 10.1016 / S0021-9258 (17) 33194-0 . PMID  8449 .
  5. ^ Krebs EG, Beavo JA (1979). „Fosforilarea-defosforilarea enzimelor”. Annu. Pr . Biochem . 48 : 923–59. doi : 10.1146 / annurev.bi.48.070179.004423 . PMID  38740 .
  6. ^ Raju TN (iunie 2000). "Cronicile Nobel. 1992: Edmond H Fischer (n 1920) și Edwin G Krebs (n 1918)". Lancet . 355 (9219): 2004. doi : 10.1016 / S0140-6736 (05) 72951-2 . PMID  10859071 . S2CID  54322974 .
  7. ^ PDB : 1d5r ; Lee JO, Yang H, Georgescu MM, Di Cristofano A, Maehama T, Shi Y, Dixon JE, Pandolfi P, Pavletich NP (octombrie 1999). "Structura cristalină a supresorului tumoral PTEN: implicații pentru activitatea sa de fosfoinozidă fosfatază și asocierea membranei" . Celulă . 99 (3): 323-34. doi : 10.1016 / S0092-8674 (00) 81663-3 . PMID  10555148 .
  8. ^ Beltrao P, Trinidad JC, Fiedler D și colab. (Iunie 2009). „Evoluția fosfororegulării: compararea modelelor de fosforilare între speciile de drojdie” . PLOS Biol . 7 (6): e1000134. doi : 10.1371 / journal.pbio.1000134 . PMC  2691599 . PMID  19547744 .
  9. ^ Bononi A, Agnoletto C, De Marchi E și colab. (2011). „Protein kinaze și fosfataze în controlul destinului celular” . Enzimă Res . 2011 : 329098. doi : 10.4061 / 2011/329098 . PMC  3166778 . PMID  21904669 .
  10. ^ Celis JE, Madsen P, Ryazanov AG (iunie 1990). "Fosforilarea crescută a factorului de alungire 2 în timpul mitozei în celulele amnionice umane transformate se corelează cu o rată scăzută a sintezei proteinelor" . Proc. Natl. Acad. Știință. SUA . 87 (11): 4231–5. Cod Bib : 1990PNAS ... 87.4231C . doi : 10.1073 / pnas.87.11.4231 . PMC  54082 . PMID  2349232 .
  11. ^ Casiday, Rachel. „Energie pentru organism: fosforilarea oxidativă” . Accesat la 5 aprilie 2013 .
  12. ^ Casiday, Rachel. „Experiment de reacții de oxidare-reducere” . Energie pentru organism: fosforilarea oxidativă . Departamentul de Chimie, Universitatea Washington . Accesat la 24 aprilie 2013 .
  13. ^ Yamauchi, Yasuo (29 iulie 2011). "Plantele comută fotosistemul la temperatură ridicată pentru a proteja fotosistemul II" . Precedentele naturii . doi : 10.1038 / npre.2011.6168.1 .
  14. ^ Rokka, A; Aro, EM; Herrmann, RG; Andersson, B; Vener, AV (august 2000). "Defosforilarea proteinelor din centrul de reacție al fotosistemului II în membranele fotosintetice ale plantelor ca răspuns imediat la creșterea bruscă a temperaturii" . Fiziologia plantelor . 123 (4): 1525–36. doi : 10.1104 / pp.123.4.1525 . PMC  59108 . PMID  10938368 .
  15. ^ a b Robinson, M (iunie 2005). „Inhibitori ai pompei de protoni: actualizare cu privire la rolul lor în bolile gastro-intestinale legate de acid”. Jurnalul internațional de practică clinică . 59 (6): 709-15. doi : 10.1111 / j.1368-5031.2005.00517.x . PMID  15924600 . S2CID  41914054 .
  16. ^ Gong CX, Grundke-Iqbal I, Iqbal K (august 1994). "Desfosforilarea bolii Alzheimer fosforilat în mod anormal de tau de către proteina fosfatază-2A". Neuroștiințe . 61 (4): 765-72. doi : 10.1016 / 0306-4522 (94) 90400-6 . PMID  7838376 . S2CID  39662308 .
  17. ^ Sheikh F, Ouyang K, Campbell SG și colab. (Aprilie 2012). „Șoarecele și modelele de calcul leagă defosforilarea Mlc2v de cinetica modificată a miozinei în boala cardiacă timpurie” . J. Clin. Investiți . 122 (4): 1209-21. doi : 10.1172 / JCI61134 . PMC  3314469 . PMID  22426213 .
  18. ^ Zhande R, Zhang W, Zheng Y și colab. (Decembrie 2006). "Defosforilarea în mod implicit, un mecanism potențial pentru reglarea substratului receptorului de insulină-1/2, Akt și ERK1 / 2" . J. Biol. Chem . 281 (51): 39071–80. doi : 10.1074 / jbc.M605251200 . PMID  17068339 .
  19. ^ Hutchinson, DS; Summers, RJ; Bengtsson, T (septembrie 2008). „Reglarea activității proteinei kinazei activate de AMP de către receptorii cuplați ai proteinei G: utilitate potențială în tratamentul diabetului și a bolilor de inimă”. Farmacologie și terapie . 119 (3): 291–310. doi : 10.1016 / j.pharmthera.2008.05.008 . PMID  18606183 .
  20. ^ Müller, G; Wied, S (dec 1993). „Medicamentul sulfonilureic, glimepirida, stimulează transportul glucozei, translocația transportorului glucozei și defosforilarea in adipocite de șobolan rezistente la insulină in vitro” (PDF) . Diabetul zaharat . 42 (12): 1852-67. doi : 10.2337 / diabet.42.12.1852 . PMID  8243832 .
  21. ^ Sambrook, J; Fritsch, EF; Maniatis, T. (1989). Clonarea moleculară: un manual de laborator (ediția a II-a). Presa de laborator Cold Spring Harbor.
  22. ^ Makovets S, Blackburn EH (noiembrie 2009). „Semnalizarea deteriorării ADN previne adăugarea de telomeri dăunătoare la rupturile de ADN” . Nat. Cell Biol . 11 (11): 1383–6. doi : 10.1038 / ncb1985 . PMC  2806817 . PMID  19838171 .

linkuri externe