Desfosforilación
A desfosforilación é a retirada dun grupo fosfato dun composto orgánico por hidrólise. É unha modificación postraducional cuxo oposto é a adición de grupos fosfato ou fosforilación. A desfosforilación é un proceso moi regulado, que activa e dasactiva encimas ao clivar os ésteres fosfóricos e anhídridos. Un exemplo importante de desfosforilación é a conversión da ATP en ADP e fosfoato inorgánico.
A desfosforilación utiliza un tipo de encimas hidrolíticos ou hidrolases, que clivan os enlaces éster. Unha importante subclase de hirolases usada nas desfoforilacións é a das fosfatases. As fosfatases retiran grupos fosfato ao hidrolizaren monoésteres de ácido fosfórico dando un ión fosfato libre e unha molécula cun grupo hidroxilo (OH) libre.
A reacción de fosforilación-desfosforilación reversible ocorre practicamente en todos os procesos fisiolóxicos, facendo que funcionen debidamente as proteínas fosfatadas necesarias para a viabilidade do organismo. Como a desfosforilación das proteínas é un proceso clave implicado na sinalización celular, as proteín fosfatases están implicadas en condicións médicas como as doenzas cardíacas, diabetes, e enfermidade de Alzheimer.
Historia
[editar | editar a fonte]O descubrimento da desfosforilación foi o resultado dunha serie de experimentos que estudaron o encima fosforilase illado do músculo esquelético de coello. En 1955, Edwin Krebs e Edmond Fischer utilizaron ATP marcado radioactivamente para determinar que cando se engadía fosfato por fosforilación ao residuo de serina da fosforilase esta convertíase da súa forma b á forma a.[1] Despois, Krebs e Fischer demostraron que esta fosforilación forma parte dunha fervenza de quinases. Finalmente, despois de purificaren a forma fosforilada do encima, que é a fosforilase a, do fígado de coello, utiizando cromatografía de intercambio iónico identificaron as fosfoproteín fosfatases I e II.[2]
Desde o descubrimento destas proteínas desfosforilantes, a natureza reversible da fosforilación e desfsforilación foi asociada cunha ampla gama de prteínas funcionais, principalmente encimáticas, pero tamén algunhas non encimáticas.[3] Edwin Krebs e Edmond Fischer gañaron o Premio Nobel de Medicina de 1992 polo descubrimento da fosforilación reversible de proteínas.[4]
Función
[editar | editar a fonte]
A fosforilación e desfosforilación de grupos hidroxilo pertencentes a aminoácidos neutros pero polares como a serina, treonina, e tirosina de proteínas diana específicas é unha parte fundamental da regulación dos procesos fisiolóxicos. A fosforilación implica a modificación covalente do hidroxilo cun grupo fosfato por medio do ataque nucleofílico do fosfato alfa do ATP polo oxíxeno do hidroxilo. A desfosforilacón implica quitar grupos fosfato por medio dnha reacción de hidratación por adición dunha molécula de auga e a liberación dun grupo fosfato orixinal, redxenerando o hidroxilo. Ambos os procesos son reversibles e ambos os mecanismos poden usarse para activar ou desactivar unha proteína. A fosforilación dunha proteína produce moitos efectos bioquímicas, como cambiar a súa conformación para alterar a súa unión a un ligando específico e incrementar ou reducir a súa actividade. A fosforilación e desfosforilación poden utilizarse en todos os tipos de substratos, como proteínas estruturais, encimas, canais de membrana, moléculas de sinaización, e outras quinases e fosfatases. A suma destes procesos denomínase fosforregulación.[6] A desregulación da fosforilación pode orixinar doenzas.[7]
Modificación postraducional
[editar | editar a fonte]Durante a síntese de proteinas, as cadeas polipeptídicas, que se forman pola tradución nos ribosomas de ARNm, deben ser procesadas antes de asumir unha conformación madura. A desfosforilación de proteínas é un mecanismo para a modificación do comportamento dunha proteína, xeralmente ao activar ou inactivar un encima. Compoñentes do aparato sintético de proteínas tamén sofren fosforilación e desfosforilación e isto regula a velocidade de síntese proteica.[8]
Como parte das modificacións postraducionais, poden quitarse grupos fosfato da serina, treonina, ou tirosina. As vías da transdución de sinais intracelular dependen da fosforilación e desfosforilación secuencial dunha ampla variedade de proteínas.
ATP
[editar | editar a fonte]ATP4− + H2O → ADP3− + HPO42− + H+
A adenosina trifosfato, ou ATP, actúa como unha "moeda" de enerxía libre en todos os organismos vivos. Esta molécula, nunha reacción de desfosforilación espontánea, libera 30,5 kJ/mol, que se empregan para impulsar reaccións celulares. En conxunto, as reaccións en principio non espontáneas acopladas á desfosforilación do ATP fanse espontáneas, debido ao cambio de enerxía libre relativo da reacción acoplada. O ATP é desfosforilado a ADP e fosfato inorgánico.[9]
A nivel celular, a desfosforilación de ATPases determina o fluxo de ións dentro e fóra da célula. Os inhibidores da bomba de protóns son un tipo de fármacos que actúan directamente sobre as ATPases do tracto gastrointestinal.
A desfosforilación noutras reaccións
[editar | editar a fonte]Ademais do ATP, outras moléculas sofren desfosforilacións como parte doutros sistemas biolóxicos. Diferentes compostos producen diferentes cambios de enerxía libre como resultado da desfosforilación.[10]
| Molécula | Cambio de enerxía libre |
|---|---|
| Acetil fosfato | 47,3 kJ/mol |
| Glicosa 6-fosfato | 13,8 kJ/mol |
| Fosfoenolpiruvato (PEP) | -61,9 kJ/mo |
| Fosfocreatina | 43,1 kJ/mo |
A psilocibina tamén depende da desfosforilación para ser metabolizada en psilocina e despois eliminada.
Importancia da desfosforilación no fotosistema II
[editar | editar a fonte]O primeiro complexo formado por proteínas e pigmentos da fase luminosa da fotosíntese denomínase fotosistema II. O complexo captura fotóns de luz, proporcionando electróns necesarios para que na fortosíntese se produza máis tarde ATP (fotofosforilación). O fotosistema II é especialmente sensible á temperatura,[11] e a desfosforilación impulsa a plasticidade na resposta a variacións de temperatura. A desfosforilación de proteínas acelérase a elevadas temperaturas nas proteínas do centro de reacción do complexo do fotosistema II, o que protexe á planta.[12]
Papel da desfosforilación en doenzas
[editar | editar a fonte]Patoloxía
[editar | editar a fonte]Unha desfosforilación excesiva das ATPases de membrana e das bombas de protóns do tracto gastrointestinal orixina unha secreción elevada de ácidos pépticos. Isto orixina ardores de estómago e esofaxite. As úlceras pépticas orixínanse polo pH extremo que orixina a desfosforilación en combinación cunha infección por Helicobacter pylori.[13]
A proteína asociada a microtúbulos tau está anormalmente hiperfosforilada cando se illa do cerebro de pacientes da enfermidade de Alzheimer. Isto débese á disfunción dos mecanismos da desfosforilación en aminoácidos específicos da proteína tau. A desfosforilación de tau está catalizada pola proteín fosfatase-2A e proteín fosfatase-2B. A deficiencia ou modificación dunha ou varias proteínas pode estar implicada na fosforilación anormal das proteínas tau no alzéimer.[14]
A desfosforilación tamén está ligada con doenzas cardíacas, especialmente a alteración de interaccións actina-miosina, que son claves para proporcionar a forza necesaria para o latexo cardíaco. A desfosforilación é unha parte fundamental da cinética do ciclo da miosina que controla directamente as interaccións actina-miosina. Cando se interrompe o proceso de desfosforilación, a contracción cardíaca dependente de calcio está alterada ou completamente inactivada.[15]
Algunhas investigacións tamén indican que as modificacións da desfosforilación inflúen en procesos fisiolóxicos envolvidos na diabetes mellitus. A cinética da desfosforilación das fosfoproteínas substrato-1/2 do receptor da insulina, Akt, e ERK1/2 está implicada na sinalización do receptor da insulina, e os modelos in vitro demostran que os cambios na cinética da desfosforilación inflúen na estimulación da insulina augas arriba e augas abaixo da fervenza de reaccións.[16]
Tratamentos
[editar | editar a fonte]A inhibición da bomba de protóns[13] fai diminuír significativamente a acidez do tracto gastrointestinal, reducindo os síntomas de enfermidades relacionadas coa acidez. O cambio resultante no pH fai diminuír a supervivencia da bacteria H. pylori, unha causa principal das úlceras a pépticas. Unha vez que o inhibidor da bomba de protóns erradica esta bacteria do estómago (para o cal poden ser necesarios tamén tratamentos con antibióticos), revértese o refluxo erosivo. O tratamento das enfermidades cardíacas mellorou co uso de fármacos que inhiben a AMPK por medio de desfosforilación.[17] No tratamento do diabetes, o fármaco sulfonilurea pode estimular a desfosforilación do transportador de glicosa GLUT4, diminuíndo así a resistencia á insulina e aumentando a utilización de glicosa.[18]
Aplicacións en investigación
[editar | editar a fonte]A desfosforilación xoga un papel clave en bioloxía molecular, especialmente na clonación usando encimas de restrición. Os extremos cortados dun vector de clonación poden volverse a unir durante o paso de ligación debido á fosforilación. Pode evitarse que estes extremos se volvan a unir usando unha fosfatase desfosforilante.[19] Estas fosfatases alcalinas utilizadas proceden xeralmente do intestino de tenreira, e denomínanse abreviadamente CIP (Calf-intestinal alkaline phosphatase, fosfatase alcalina de intestino de tenreira).[20]
Notas
[editar | editar a fonte]- ↑ FISCHER, EH; KREBS, EG (Sep 1955). "Conversion of phosphorylase b to phosphorylase a in muscle extracts.". The Journal of Biological Chemistry 216 (1): 121–32. PMID 13252012.
- ↑ Khandelwal, RL; Vandenheede, JR; Krebs, EG (Aug 25, 1976). "Purification, properties, and substrate specificities of phosphoprotein phosphatase(s) from rabbit liver.". The Journal of Biological Chemistry 251 (16): 4850–8. PMID 8449.
- ↑ Krebs EG, Beavo JA (1979). "Phosphorylation-dephosphorylation of enzymes". Annu. Rev. Biochem. 48: 923–59. PMID 38740. doi:10.1146/annurev.bi.48.070179.004423.
- ↑ Raju TN (June 2000). "The Nobel chronicles. 1992: Edmond H Fischer (b 1920) and Edwin G Krebs (b 1918)". Lancet 355 (9219): 2004. PMID 10859071. doi:10.1016/S0140-6736(05)72951-2.
- ↑ PDB 1d5r; Lee JO, Yang H, Georgescu MM, Di Cristofano A, Maehama T, Shi Y, Dixon JE, Pandolfi P, Pavletich NP (outubro de 1999). "Crystal structure of the PTEN tumor suppressor: implications for its phosphoinositide phosphatase activity and membrane association". Cell 99 (3): 323–34. PMID 10555148. doi:10.1016/S0092-8674(00)81663-3.
- ↑ Beltrao P, Trinidad JC, Fiedler D; et al. (June 2009). "Evolution of phosphoregulation: comparison of phosphorylation patterns across yeast species". PLoS Biol. 7 (6): e1000134. PMC 2691599. PMID 19547744. doi:10.1371/journal.pbio.1000134.
- ↑ Bononi A, Agnoletto C, De Marchi E; et al. (2011). "Protein kinases and phosphatases in the control of cell fate". Enzyme Res 2011: 329098. PMC 3166778. PMID 21904669. doi:10.4061/2011/329098.
- ↑ Celis JE, Madsen P, Ryazanov AG (June 1990). "Increased phosphorylation of elongation factor 2 during mitosis in transformed human amnion cells correlates with a decreased rate of protein synthesis". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 87 (11): 4231–5. PMC 54082. PMID 2349232. doi:10.1073/pnas.87.11.4231.
- ↑ Casiday, Rachel. "Energy for the Body: Oxidative Phosphorylation". Consultado o 5 April 2013.
- ↑ Casiday, Rachel. "Oxidation-Reduction Reactions Experiment". Energy for the Body: Oxidative Phosphorylation. Department of Chemistry, Washington University. Consultado o 24 April 2013.
- ↑ Yamauchi, Yasuo (29 July 2011). "Plants switch photosystem at high temperature to protect photosystem II". Plant Biology.
- ↑ Rokka, A; Aro, EM; Herrmann, RG; Andersson, B; Vener, AV (Aug 2000). "Dephosphorylation of photosystem II reaction center proteins in plant photosynthetic membranes as an immediate response to abrupt elevation of temperature.". Plant physiology 123 (4): 1525–36. PMID 10938368. doi:10.1104/pp.123.4.1525.
- ↑ 13,0 13,1 Robinson, M (Jun 2005). "Proton pump inhibitors: update on their role in acid-related gastrointestinal diseases.". International journal of clinical practice 59 (6): 709–15. PMID 15924600. doi:10.1111/j.1368-5031.2005.00517.x.
- ↑ Gong CX, Grundke-Iqbal I, Iqbal K (August 1994). "Dephosphorylation of Alzheimer's disease abnormally phosphorylated tau by protein phosphatase-2A". Neuroscience 61 (4): 765–72. PMID 7838376. doi:10.1016/0306-4522(94)90400-6.
- ↑ Sheikh F, Ouyang K, Campbell SG; et al. (April 2012). "Mouse and computational models link Mlc2v dephosphorylation to altered myosin kinetics in early cardiac disease". J. Clin. Invest. 122 (4): 1209–21. PMC 3314469. PMID 22426213. doi:10.1172/JCI61134.
- ↑ Zhande R, Zhang W, Zheng Y; et al. (December 2006). "Dephosphorylation by default, a potential mechanism for regulation of insulin receptor substrate-1/2, Akt, and ERK1/2". J. Biol. Chem. 281 (51): 39071–80. PMID 17068339. doi:10.1074/jbc.M605251200.
- ↑ Hutchinson, DS; Summers, RJ; Bengtsson, T (Sep 2008). "Regulation of AMP-activated protein kinase activity by G-protein coupled receptors: potential utility in treatment of diabetes and heart disease.". Pharmacology & therapeutics 119 (3): 291–310. PMID 18606183. doi:10.1016/j.pharmthera.2008.05.008.
- ↑ Müller, G; Wied, S (Dec 1993). "The sulfonylurea drug, glimepiride, stimulates glucose transport, glucose transporter translocation, and dephosphorylation in insulin-resistant rat adipocytes in vitro.". Diabetes 42 (12): 1852–67. PMID 8243832. doi:10.2337/diabetes.42.12.1852.
- ↑ Sambrook, J; Fritsch, E.F.; Maniatis, T. (1989). Molecular Cloning: A Laboratory Manual (2nd ed.). Cold Spring Harbor Laboratory Press.
- ↑ Makovets S, Blackburn EH (November 2009). "DNA damage signalling prevents deleterious telomere addition at DNA breaks". Nat. Cell Biol. 11 (11): 1383–6. PMC 2806817. PMID 19838171. doi:10.1038/ncb1985.
