stringtranslate.com

фосфорилирование

Серин в аминокислотной цепи до и после фосфорилирования.

В биохимии фосфорилирование — это присоединение фосфатной группы к молекуле или иону. [1] Этот процесс и его обратный процесс, дефосфорилирование , широко распространены в биологии . [2] Фосфорилирование белков часто активирует (или деактивирует) многие ферменты . [3] [4]

При дыхании и фотосинтезе

Фосфорилирование имеет важное значение для процессов как анаэробного , так и аэробного дыхания , которые включают выработку аденозинтрифосфата (АТФ), «высокоэнергетической» обменной среды в клетке. Во время аэробного дыхания АТФ синтезируется в митохондриях путем присоединения третьей фосфатной группы к аденозиндифосфату (АДФ) в процессе, называемом окислительным фосфорилированием . АТФ также синтезируется путем фосфорилирования на уровне субстрата во время гликолиза . АТФ синтезируется за счет солнечной энергии путем фотофосфорилирования в хлоропластах растительных клеток.

Фосфорилирование глюкозы

Метаболизм глюкозы

Фосфорилирование сахаров часто является первой стадией их катаболизма . Фосфорилирование позволяет клеткам накапливать сахара, поскольку фосфатная группа препятствует диффузии молекул обратно через транспортер . Фосфорилирование глюкозы является ключевой реакцией метаболизма сахара. Химическое уравнение превращения D-глюкозы в D-глюкозо-6-фосфат на первой стадии гликолиза имеет вид:

D-глюкоза + АТФ → D- глюкозо-6-фосфат + АДФ
ΔG ° = −16,7 кДж/моль (° указывает на измерение в стандартных условиях)

Гликолиз

Гликолиз — это важный процесс распада глюкозы на две молекулы пирувата , проходящий через различные этапы с помощью разных ферментов. Это происходит в десять этапов и доказывает, что фосфорилирование является весьма необходимым и необходимым шагом для получения конечных продуктов. Фосфорилирование инициирует реакцию на этапе 1 подготовительного этапа [5] (первая половина гликолиза) и инициирует этап 6 фазы выигрыша (вторая фаза гликолиза). [6]

Глюкоза по своей природе представляет собой небольшую молекулу, способную диффундировать в клетку и из нее. Путем фосфорилирования глюкозы (добавление фосфорильной группы для создания отрицательно заряженной фосфатной группы [7] ) глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат, который удерживается внутри клетки, поскольку клеточная мембрана заряжается отрицательно. Эта реакция происходит благодаря ферменту гексокиназе , ферменту, который помогает фосфорилировать многие шестичленные кольцевые структуры. Фосфорилирование происходит на этапе 3, где фруктозо-6-фосфат превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат . Эту реакцию катализирует фосфофруктокиназа .

В то время как фосфорилирование осуществляется АТФ на подготовительных этапах, фосфорилирование во время фазы выплаты поддерживается неорганическим фосфатом. Каждая молекула глицеральдегид-3-фосфата фосфорилируется с образованием 1,3-бисфосфоглицерата . Эту реакцию катализирует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (ГАФД). Каскадный эффект фосфорилирования в конечном итоге вызывает нестабильность и позволяет ферментам открывать углеродные связи в глюкозе.

Функции фосфорилирования являются чрезвычайно важным компонентом гликолиза, поскольку они помогают в транспортировке, контроле и эффективности. [8]

Синтез гликогена

Гликоген – это долговременный запас глюкозы, вырабатываемый клетками печени . В печени синтез гликогена напрямую коррелирует с концентрацией глюкозы в крови. Высокая концентрация глюкозы в крови вызывает повышение внутриклеточного уровня глюкозо-6-фосфата в печени, скелетных мышцах и жировой ( жировой ) ткани. Глюкозо-6-фосфат играет роль в регуляции гликогенсинтазы .

Высокий уровень глюкозы в крови высвобождает инсулин , стимулируя перемещение специфических переносчиков глюкозы к клеточной мембране; глюкоза фосфорилируется до глюкозо-6-фосфата во время транспорта через мембрану под действием АТФ-D-глюкозо-6- фосфотрансферазы и неспецифической гексокиназы (АТФ-D-гексозо-6-фосфотрансферазы). [9] [10] Клетки печени свободно проницаемы для глюкозы, и начальная скорость фосфорилирования глюкозы является лимитирующей стадией метаболизма глюкозы в печени. [9]

Решающая роль печени в контроле концентрации сахара в крови путем расщепления глюкозы на углекислый газ и гликоген характеризуется отрицательным значением свободной энергии Гиббса (ΔG), что указывает на то, что это точка регуляции. [ необходимы разъяснения ] Фермент гексокиназа имеет низкую константу Михаэлиса (K m ), что указывает на высокое сродство к глюкозе, поэтому это начальное фосфорилирование может продолжаться даже при уровнях глюкозы в наноскопическом масштабе в крови.

Фосфорилирование глюкозы может быть усилено за счет связывания фруктозо-6-фосфата (F6P) и уменьшено за счет связывания фруктозо-1-фосфата (F1P). Фруктоза, потребляемая с пищей, превращается в печени в F1P. Это сводит на нет действие F6P на глюкокиназу [11] , что в конечном итоге благоприятствует прямой реакции. Способность клеток печени фосфорилировать фруктозу превышает способность метаболизировать фруктозо-1-фосфат. Потребление избыточного количества фруктозы в конечном итоге приводит к дисбалансу метаболизма в печени, что косвенно истощает запасы АТФ в клетках печени. [12]

Аллостерическая активация глюкозо-6-фосфатом, который действует как эффектор, стимулирует гликогенсинтазу, а глюкозо-6-фосфат может ингибировать фосфорилирование гликогенсинтазы с помощью циклической АМФ -стимулируемой протеинкиназы . [10]

Другие процессы

Фосфорилирование глюкозы необходимо для процессов внутри организма. Например, фосфорилирование глюкозы необходимо для инсулинозависимой механистической мишени активности пути рапамицина в сердце. Это также предполагает связь между промежуточным метаболизмом и ростом сердца. [13]

Фосфорилирование белков

Фосфорилирование белков является наиболее распространенной посттрансляционной модификацией у эукариот. Фосфорилирование может происходить на боковых цепях серина , треонина и тирозина (часто называемых «остатками») посредством образования фосфоэфирных связей , на гистидине , лизине и аргинине посредством фосфорамидатных связей , а также на аспарагиновой и глутаминовой кислоте посредством смешанных ангидридных связей . Недавние данные подтверждают широко распространенное фосфорилирование гистидина как по 1, так и по 3 атомам N имидазольного кольца. [14] [15] Недавняя работа демонстрирует широко распространенное фосфорилирование человеческого белка по множеству неканонических аминокислот, включая мотивы, содержащие фосфорилированный гистидин, аспартат, глутамат, цистеин, аргинин и лизин в экстрактах клеток HeLa. [16] Однако из-за химической лабильности этих фосфорилированных остатков и в отличие от фосфорилирования Ser, Thr и Tyr анализ фосфорилированного гистидина (и других неканонических аминокислот) с использованием стандартных биохимических и масс-спектрометрических подходов гораздо сложнее. более сложная задача [16] [17] [18] и для их сохранения наряду с классическим фосфорилированием Ser, Thr и Tyr требуются специальные процедуры и методы разделения. [19]

Выдающаяся роль фосфорилирования белков в биохимии иллюстрируется огромным количеством исследований, опубликованных по этой теме (по состоянию на март 2015 года база данных MEDLINE содержит более 240 000 статей, в основном по фосфорилированию белков ).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Беттс, Дж. Гордон (2013). «2.5 Органические соединения, необходимые для жизнедеятельности человека». Анатомия и физиология. ОпенСтакс. ISBN 978-1-947172-04-3. Проверено 16 апреля 2023 г.
  2. ^ Чен Дж, Хэ X, Яковлич I (ноябрь 2022 г.). «Позитивная селекция фиксация специфичной для гоминина аминокислотной мутации, связанной с дефосфорилированием в IRF9». BMC Экология и эволюция . 22 (1): 132. дои : 10.1186/s12862-022-02088-5 . ПМК 9650800 . PMID  36357830. S2CID  253448972.  Текст был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0.
  3. ^ Оливейра AP, Sauer U (март 2012 г.). «Важность посттрансляционных модификаций в регуляции метаболизма Saccharomyces cerevisiae». Исследование дрожжей FEMS . 12 (2): 104–117. дои : 10.1111/j.1567-1364.2011.00765.x . ПМИД  22128902.
  4. ^ Триподи Ф, Никастро Р, Регеллин В, Кокчетти П (апрель 2015 г.). «Посттрансляционные модификации углеродного метаболизма дрожжей: регуляторные механизмы, выходящие за рамки транскрипционного контроля». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Общие предметы . 1850 (4): 620–627. дои : 10.1016/j.bbagen.2014.12.010. hdl : 10281/138736 . ПМИД  25512067.
  5. ^ Глава 14: Гликолиз и катаболизм гексоз.
  6. ^ Гарретт Р. (1995). Биохимия . Колледж Сондерс.
  7. ^ «Гексокиназа - Реакция». www.chem.uwec.edu . Проверено 29 июля 2020 г.
  8. ^ Мабер Дж. «Введение в гликолиз» . Проверено 18 ноября 2017 г.
  9. ^ Аб Уокер Д.Г., Рао С. (февраль 1964 г.). «Роль глюкокиназы в фосфорилировании глюкозы печенью крысы». Биохимический журнал . 90 (2): 360–368. дои : 10.1042/bj0900360. ПМК 1202625 . ПМИД  5834248. 
  10. ^ ab Villar-Palasí C, Guinovart JJ (июнь 1997 г.). «Роль глюкозо-6-фосфата в контроле гликогенсинтазы». Журнал ФАСЭБ . 11 (7): 544–558. дои : 10.1096/fasebj.11.7.9212078. PMID  9212078. S2CID  2789124.
  11. ^ Уокер Д.Г., Рао С. (февраль 1964 г.). «Роль глюкокиназы в фосфорилировании глюкозы печенью крысы». Биохимический журнал . 90 (2): 360–368. дои : 10.1042/bj0900360. ПМК 1202625 . ПМИД  5834248. 
  12. ^ «Регуляция гликолиза». cmgm.stanford.edu . Проверено 18 ноября 2017 г.
  13. ^ Шарма С., Гатри П.Х., Чан С.С., Хак С., Тэгтмейер Х. (октябрь 2007 г.). «Фосфорилирование глюкозы необходимо для инсулинозависимой передачи сигналов mTOR в сердце». Сердечно-сосудистые исследования . 76 (1): 71–80. doi : 10.1016/j.cardiores.2007.05.004. ПМК 2257479 . ПМИД  17553476. 
  14. ^ Фухс С.Р., Хантер Т. (апрель 2017 г.). «Фисфорилирование: возникновение фосфорилирования гистидина как обратимой регуляторной модификации». Современное мнение в области клеточной биологии . 45 : 8–16. дои : 10.1016/j.ceb.2016.12.010. ПМК 5482761 . ПМИД  28129587. 
  15. ^ Фухс С.Р., Мейзенхельдер Дж., Асланян А., Ма Л., Загорска А., Станкова М. и др. (июль 2015 г.). «Моноклональные антитела к 1- и 3-фосфогистидинам: новые инструменты для изучения фосфорилирования гистидина». Клетка . 162 (1): 198–210. дои : 10.1016/j.cell.2015.05.046. ПМЦ 4491144 . ПМИД  26140597. 
  16. ^ ab Хардман Г., Перкинс С., Браунридж П.Дж., Кларк С.Дж., Бирн Д.П., Кэмпбелл А.Э. и др. (октябрь 2019 г.). «Сильная фосфопротеомика, опосредованная анионным обменом, обнаруживает обширное неканоническое фосфорилирование человека». Журнал ЭМБО . 38 (21): e100847. дои : 10.15252/embj.2018100847 . ПМК 6826212 . ПМИД  31433507. 
  17. ^ Гонсалес-Санчес М.Б., Ланукара Ф., Хардман Дж.Э., Эйерс CE (июнь 2014 г.). «Газофазный межмолекулярный перенос фосфата внутри димера фосфогистидин-фосфопептида». Международный журнал масс-спектрометрии . 367 : 28–34. Бибкод : 2014IJMSp.367...28G. doi : 10.1016/j.ijms.2014.04.015. ПМЦ 4375673 . ПМИД  25844054. 
  18. ^ Гонсалес-Санчес МБ, Ланукара Ф, Хелм М, Эйерс CE (август 2013 г.). «Попытка переписать историю: проблемы с анализом гистидин-фосфорилированных пептидов». Труды Биохимического общества . 41 (4): 1089–1095. дои : 10.1042/bst20130072. ПМИД  23863184.
  19. ^ Хардман Г., Перкинс С., Руан З., Каннан Н., Браунридж П., Бирн Д.П., Эйерс П.А., Джонс А.Р., Эйерс CE (2017). «Обширное неканоническое фосфорилирование в клетках человека, выявленное с помощью фосфопротеомики, опосредованной сильным анионным обменом». bioRxiv 10.1101/202820 . 

Внешние ссылки