Desfosforilación - Dephosphorylation

En bioquímica , la desfosforilación es la eliminación de un grupo fosfato (PO 4 3− ) de un compuesto orgánico por hidrólisis . Es una modificación postraduccional reversible . La desfosforilación y su contraparte, la fosforilación , activan y desactivan las enzimas desprendiendo o uniendo ésteres y anhídridos fosfóricos . Una ocurrencia notable de desfosforilación es la conversión de ATP en ADP y fosfato inorgánico.

La desfosforilación emplea un tipo de enzima hidrolítica, o hidrolasa , que escinde los enlaces éster. La subclase de hidrolasa prominente utilizada en la desfosforilación es la fosfatasa , que elimina los grupos fosfato hidrolizando los monoésteres de ácido fosfórico en un ion fosfato y una molécula con un grupo hidroxilo (-OH) libre .

La reacción reversible de fosforilación-desfosforilación ocurre en todos los procesos fisiológicos, lo que hace necesaria la función adecuada de las proteínas fosfatasas para la viabilidad del organismo. Debido a que la desfosforilación de proteínas es un proceso clave involucrado en la señalización celular , las proteínas fosfatasas están implicadas en afecciones como enfermedades cardíacas, diabetes y enfermedad de Alzheimer.

Historia

El descubrimiento de la desfosforilación provino de una serie de experimentos que examinaron la enzima fosforilasa aislada del músculo esquelético del conejo. En 1955, Edwin Krebs y Edmond Fischer usaron ATP radiomarcado para determinar que se agrega fosfato al residuo de serina de la fosforilasa para convertirlo de su b a una forma mediante fosforilación. Posteriormente, Krebs y Fischer demostraron que esta fosforilación es parte de una cascada de quinasas. Finalmente, después de purificar la forma fosforilada de la enzima, fosforilasa a , de hígado de conejo, se utilizó cromatografía de intercambio iónico para identificar la fosfoproteína fosfatasa I y II.

Desde el descubrimiento de estas proteínas desfosforilantes, la naturaleza reversible de la fosforilación y desfosforilación se ha asociado con una amplia gama de proteínas funcionales, principalmente enzimáticas, pero que también incluyen proteínas no enzimáticas. Edwin Krebs y Edmond Fischer ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1992 por el descubrimiento de la fosforilación de proteínas reversible.

Función

PTEN, una fosfatasa.
Estructura cristalográfica de fosfatasa humana y homólogo de tensina (PTEN). El sitio activo del dominio fosfatasa N-terminal azul se muestra en amarillo. El dominio C2 C-terminal se muestra en rojo.

La fosforilación y desfosforilación de grupos hidroxilo pertenecientes a aminoácidos neutrales pero polares como serina, treonina y tirosina dentro de proteínas diana específicas es una parte fundamental de la regulación de todo proceso fisiológico. La fosforilación implica la modificación covalente del hidroxilo con un grupo fosfato a través del ataque nucleofílico del alfa fosfato en ATP por el oxígeno en el hidroxilo. La desfosforilación implica la eliminación del grupo fosfato mediante una reacción de hidratación mediante la adición de una molécula de agua y la liberación del grupo fosfato original, regenerando el hidroxilo. Ambos procesos son reversibles y cualquiera de los dos mecanismos se puede utilizar para activar o desactivar una proteína. La fosforilación de una proteína produce muchos efectos bioquímicos, como cambiar su conformación para alterar su unión a un ligando específico para aumentar o reducir su actividad. La fosforilación y desfosforilación se pueden utilizar en todo tipo de sustratos, como proteínas estructurales, enzimas, canales de membrana, moléculas de señalización y otras quinasas y fosfatasas. La suma de estos procesos se conoce como fosforregulación. La desregulación de la fosforilación puede provocar enfermedades.

Modificación post-traduccional

Durante la síntesis de proteínas, las cadenas polipeptídicas, que son creadas por los ribosomas que traducen el ARNm, deben procesarse antes de asumir una conformación madura. La desfosforilación de proteínas es un mecanismo para modificar el comportamiento de una proteína, a menudo activando o inactivando una enzima . Los componentes del aparato de síntesis de proteínas también se someten a fosforilación y desfosforilación y, por lo tanto, regulan las tasas de síntesis de proteínas.

Como parte de las modificaciones postraduccionales, los grupos fosfato pueden eliminarse de la serina, treonina o tirosina. Como tal, las vías de transducción de señales intracelulares dependen de la fosforilación y desfosforilación secuenciales de una amplia variedad de proteínas.

ATP

Artículo principal: trifosfato de adenosina
Ver también: Papel de la desfosforilación en la enfermedad.
ATP 4− + H 2 O ⟶ ADP 3− + HPO 4 2− + H +

El trifosfato de adenosina , o ATP, actúa como una "moneda" de energía libre en todos los organismos vivos. En una reacción de desfosforilación espontánea se liberan 30,5 kJ / mol, que se aprovechan para impulsar reacciones celulares. En general, las reacciones no espontáneas acopladas a la desfosforilación de ATP son espontáneas, debido al cambio negativo de energía libre de la reacción acoplada. Esto es importante para impulsar la fosforilación oxidativa. El ATP se desfosforila a ADP y fosfato inorgánico.

A nivel celular, la desfosforilación de ATPasas determina el flujo de iones dentro y fuera de la célula. Los inhibidores de la bomba de protones son una clase de fármaco que actúa directamente sobre las ATPasas del tracto gastrointestinal.

Desfosforilación en otras reacciones.

Otras moléculas además del ATP sufren desfosforilación como parte de otros sistemas biológicos. Los diferentes compuestos producen diferentes cambios de energía libre como resultado de la desfosforilación.

Molécula Cambio de energía libre
Fosfato de acetilo 47,3 kJ / mol
Glucosa-6-fosfato 13,8 kJ / mol
Fosfoenolpiruvato (PEP) -61,9 kJ / mes
Fosfocreatina 43,1 kJ / mes

La psilocibina también depende de la desfosforilación para ser metabolizada en psilocina y luego eliminada. Actualmente no se dispone de información sobre el efecto de la psilocibina en el cambio de energía libre.

Importancia de la desfosforilación en el fotosistema II

El primer complejo de proteínas de las reacciones dependientes de la luz del componente de la fotosíntesis se denomina fotosistema II . El complejo utiliza una enzima para capturar fotones de luz, proporcionando el mayor proceso de fotosíntesis con todos los electrones necesarios para producir ATP. El fotosistema II es particularmente sensible a la temperatura, y la desfosforilación se ha implicado como un impulsor de la plasticidad en la respuesta a temperaturas variadas. La desfosforilación acelerada de proteínas en las membranas tilacoides fotosintéticas se produce a temperaturas elevadas, lo que repercute directamente en la desfosforilación de proteínas clave dentro del complejo fotosistema II.

Papel de la desfosforilación en la enfermedad

Patología

La desfosforilación excesiva de las ATPasas de membrana y las bombas de protones en el tracto gastrointestinal conduce a tasas de secreción más altas de ácidos pépticos cáusticos. Estos resultan en acidez de estómago y esofagitis. En combinación con la infección por Helicobacter pylori , la úlcera péptica es causada por el pH elevado que provoca la desfosforilación.

La proteína tau asociada a microtúbulos está hiperfosforilada anormalmente cuando se aísla del cerebro de pacientes que padecen la enfermedad de Alzheimer . Esto se debe a la disfunción de los mecanismos de desfosforilación en aminoácidos específicos de la proteína tau. La desfosforilación de Tau está catalizada por la proteína fosfatasa-2A y la fosfatasa-2B. La deficiencia o modificación de una o ambas proteínas puede estar involucrada en la fosforilación anormal de tau en la enfermedad de Alzheimer.

La desfosforilación también se ha relacionado con enfermedades cardíacas , en particular la alteración de las interacciones actina-miosina que son clave para proporcionar la fuerza subyacente de los latidos del corazón. La desfosforilación es una parte clave de la cinética del ciclo de la miosina que controla directamente las interacciones actina-miosina. Cuando se interrumpe el proceso de desfosforilación, la contracción cardíaca dependiente del calcio se altera o se desactiva por completo.

La investigación también ha sugerido que las modificaciones de la desfosforilación afectan los procesos fisiológicos implicados en la Diabetes mellitus . Se ha demostrado que la cinética de la desfosforilación del sustrato del receptor de insulina-1/2, Akt y ERK1 / 2, las fosfoproteínas están involucradas en la señalización del receptor de insulina, y los modelos in vitro demuestran que los cambios en la cinética de la desfosforilación impactan la estimulación de la insulina en sentido ascendente y descendente.

Tratos

La inhibición de las bombas de protones disminuye significativamente la acidez del tracto gastrointestinal, reduciendo los síntomas de las enfermedades relacionadas con el ácido. El cambio resultante en el pH disminuye la supervivencia de la bacteria H.pylori , una de las principales causas de úlcera péptica. Una vez que el inhibidor de la bomba de protones erradica esta bacteria dentro del intestino, revierte el reflujo erosivo. El tratamiento de las enfermedades cardíacas ha mejorado con el uso de fármacos que inhiben la AMPK mediante la desfosforilación. En el tratamiento de la diabetes, las sulfonilureas pueden estimular la desfosforilación del transportador de glucosa GLUT4 , disminuyendo la resistencia a la insulina y aumentando la utilización de la glucosa.

Aplicaciones de investigación

La desfosforilación puede desempeñar un papel clave en la biología molecular, en particular la clonación mediante enzimas de restricción . Los extremos cortados de un vector pueden volver a ligarse durante un paso de ligadura debido a la fosforilación. Mediante el uso de una fosfatasa desfosforilante, se puede evitar la nueva ligadura. Estas fosfatasas alcalinas a menudo se obtienen de forma natural, más comúnmente del intestino de ternera, y se abrevian como CIP .

Ver también

Referencias

  1. ^ Ardito, Fatima (agosto de 2017). "El papel crucial de la fosforilación de proteínas en la señalización celular y su uso como terapia dirigida (Revisión)" . Int J Mol Med . 40 (2): 271–280. doi : 10.3892 / ijmm.2017.3036 . PMC  5500920 . PMID  28656226 .
  2. ^ Hertog, Jeroen den (noviembre de 2003). "Regulación de las proteínas fosfatasas en la enfermedad y el comportamiento" . Rep . EMBO 4 (11): 1027–1032. doi : 10.1038 / sj.embor.7400009 . PMC  1326379 . PMID  14578923 .
  3. ^ FISCHER, EH; KREBS, EG (septiembre de 1955). "Conversión de fosforilasa b a fosforilasa a en extractos musculares" . La revista de química biológica . 216 (1): 121–32. doi : 10.1016 / S0021-9258 (19) 52289-X . PMID  13252012 .
  4. ^ Khandelwal, RL; Vandenheede, JR; Krebs, EG (25 de agosto de 1976). "Purificación, propiedades y especificidades de sustrato de fosfoproteína fosfatasa (s) de hígado de conejo" . La revista de química biológica . 251 (16): 4850–8. doi : 10.1016 / S0021-9258 (17) 33194-0 . PMID  8449 .
  5. ^ Krebs EG, Beavo JA (1979). "Fosforilación-desfosforilación de enzimas". Annu. Rev. Biochem . 48 : 923–59. doi : 10.1146 / annurev.bi.48.070179.004423 . PMID  38740 .
  6. ^ Raju TN (junio de 2000). "Las crónicas del Nobel. 1992: Edmond H Fischer (b 1920) y Edwin G Krebs (b 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 (octubre de 1999). "Estructura cristalina del supresor de tumores PTEN: implicaciones para su actividad fosfoinositido fosfatasa y asociación de membrana" . Celular . 99 (3): 323–34. doi : 10.1016 / S0092-8674 (00) 81663-3 . PMID  10555148 .
  8. ^ Beltrao P, Trinidad JC, Fiedler D, et al. (Junio ​​de 2009). "Evolución de la fosforregulación: comparación de los patrones de fosforilación en especies de levadura" . PLOS Biol . 7 (6): e1000134. doi : 10.1371 / journal.pbio.1000134 . PMC  2691599 . PMID  19547744 .
  9. ^ Bononi A, Agnoletto C, De Marchi E, et al. (2011). "Proteínas quinasas y fosfatasas en el control del destino celular" . Enzyme Res . 2011 : 329098. doi : 10.4061 / 2011/329098 . PMC  3166778 . PMID  21904669 .
  10. ^ Celis JE, Madsen P, Ryazanov AG (junio de 1990). "El aumento de la fosforilación del factor de alargamiento 2 durante la mitosis en células de amnios humanos transformadas se correlaciona con una disminución de la tasa de síntesis de proteínas" . Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 87 (11): 4231–5. Código Bibliográfico : 1990PNAS ... 87.4231C . doi : 10.1073 / pnas.87.11.4231 . PMC  54082 . PMID  2349232 .
  11. ^ Casiday, Rachel. "Energía para el cuerpo: fosforilación oxidativa" . Consultado el 5 de abril de 2013 .
  12. ^ Casiday, Rachel. "Experimento de reacciones de oxidación-reducción" . Energía para el cuerpo: fosforilación oxidativa . Departamento de Química, Universidad de Washington . Consultado el 24 de abril de 2013 .
  13. ^ Yamauchi, Yasuo (29 de julio de 2011). "Las plantas cambian el fotosistema a alta temperatura para proteger el fotosistema II" . Precedencias de la naturaleza . doi : 10.1038 / npre.2011.6168.1 .
  14. ^ Rokka, A; Aro, EM; Herrmann, RG; Andersson, B; Vener, AV (agosto de 2000). "Desfosforilación de las proteínas del centro de reacción del fotosistema II en las membranas fotosintéticas de las plantas como respuesta inmediata a la elevación abrupta de la temperatura" . Fisiología vegetal . 123 (4): 1525–36. doi : 10.1104 / pp.123.4.1525 . PMC  59108 . PMID  10938368 .
  15. ↑ a b Robinson, M (junio de 2005). "Inhibidores de la bomba de protones: actualización sobre su papel en las enfermedades gastrointestinales relacionadas con el ácido". Revista Internacional de Práctica Clínica . 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 (agosto de 1994). "Desfosforilación de la enfermedad de Alzheimer tau fosforilada anormalmente por la proteína fosfatasa-2A". Neurociencia . 61 (4): 765–72. doi : 10.1016 / 0306-4522 (94) 90400-6 . PMID  7838376 . S2CID  39662308 .
  17. ^ Sheikh F, Ouyang K, Campbell SG, et al. (Abril de 2012). "Ratón y modelos computacionales vinculan la desfosforilación de Mlc2v con la cinética de miosina alterada en la enfermedad cardíaca temprana" . J. Clin. Invertir . 122 (4): 1209–21. doi : 10.1172 / JCI61134 . PMC  3314469 . PMID  22426213 .
  18. ^ Zhande R, Zhang W, Zheng Y, et al. (Diciembre de 2006). "Desfosforilación por defecto, un mecanismo potencial para la regulación del sustrato del receptor de insulina-1/2, Akt y ERK1 / 2" . J. Biol. Chem . 281 (51): 39071–80. doi : 10.1074 / jbc.M605251200 . PMID  17068339 .
  19. ^ Hutchinson, DS; Summers, RJ; Bengtsson, T (septiembre de 2008). "Regulación de la actividad de la proteína quinasa activada por AMP por receptores acoplados a proteína G: utilidad potencial en el tratamiento de la diabetes y enfermedades cardíacas". Farmacología y terapéutica . 119 (3): 291–310. doi : 10.1016 / j.pharmthera.2008.05.008 . PMID  18606183 .
  20. ^ Müller, G; Wied, S (diciembre de 1993). "El fármaco sulfonilurea, glimepirida, estimula el transporte de glucosa, la translocación del transportador de glucosa y la desfosforilación en adipocitos de rata resistentes a la insulina in vitro" (PDF) . Diabetes . 42 (12): 1852–67. doi : 10.2337 / diabetes.42.12.1852 . PMID  8243832 .
  21. ^ Sambrook, J; Fritsch, EF; Maniatis, T. (1989). Clonación molecular: un manual de laboratorio (2ª ed.). Prensa de laboratorio de Cold Spring Harbor.
  22. ^ Makovets S, Blackburn EH (noviembre de 2009). "La señalización del daño del ADN previene la adición de telómeros perjudiciales en las roturas del ADN" . Nat. Cell Biol . 11 (11): 1383–6. doi : 10.1038 / ncb1985 . PMC  2806817 . PMID  19838171 .

enlaces externos