stringtranslate.com

Дефосфорилирование

В биохимии дефосфорилирование — это удаление фосфата ( PO3−4) группы из органического соединения путем гидролиза . Это обратимая посттрансляционная модификация . Дефосфорилирование и его аналог, фосфорилирование , активируют и дезактивируют ферменты путем отсоединения или присоединения фосфорных эфиров и ангидридов . Примечательным явлением дефосфорилирования является превращение АТФ в АДФ и неорганический фосфат.

Дефосфорилирование использует тип гидролитического фермента, или гидролазы , который расщепляет эфирные связи. Известный подкласс гидролаз, используемый при дефосфорилировании, — это фосфатаза , которая удаляет фосфатные группы путем гидролиза моноэфиров фосфорной кислоты в фосфатный ион и молекулу со свободной гидроксильной (–ОН) группой.

Обратимая реакция фосфорилирования-дефосфорилирования происходит в каждом физиологическом процессе, что делает правильное функционирование протеинфосфатаз необходимым для жизнеспособности организма. Поскольку дефосфорилирование протеина является ключевым процессом, участвующим в передаче сигналов клетками , [1] протеинфосфатазы участвуют в таких состояниях, как сердечные заболевания, диабет и болезнь Альцгеймера. [2]

История

Открытие дефосфорилирования произошло в результате серии экспериментов по исследованию фермента фосфорилазы, выделенного из скелетных мышц кролика. В 1955 году Эдвин Кребс и Эдмонд Фишер использовали радиоактивно меченый АТФ, чтобы определить, что фосфат добавляется к остатку серина фосфорилазы, чтобы преобразовать его из формы b в форму a посредством фосфорилирования. [3] Впоследствии Кребс и Фишер показали, что это фосфорилирование является частью каскада киназ. Наконец, после очистки фосфорилированной формы фермента, фосфорилазы a , из печени кролика, ионообменная хроматография была использована для идентификации фосфопротеинфосфатазы I и II. [4]

С момента открытия этих дефосфорилирующих белков обратимый характер фосфорилирования и дефосфорилирования связывался с широким спектром функциональных белков, в первую очередь ферментативных, но также и неферментативных. [5] Эдвин Кребс и Эдмонд Фишер получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1992 года за открытие обратимого фосфорилирования белков. [6]

Функция

PTEN, фосфатаза.
Кристаллографическая структура гомолога человеческой фосфатазы и тензина (PTEN). Активный центр синего N-концевого домена фосфатазы показан желтым цветом. С-концевой домен C2 показан красным цветом. [7]

Фосфорилирование и дефосфорилирование гидроксильных групп, принадлежащих нейтральным, но полярным аминокислотам, таким как серин, треонин и тирозин, в определенных целевых белках является фундаментальной частью регуляции каждого физиологического процесса. Фосфорилирование включает ковалентную модификацию гидроксила с фосфатной группой посредством нуклеофильной атаки альфа-фосфата в АТФ кислородом в гидроксиле. Дефосфорилирование включает удаление фосфатной группы посредством реакции гидратации путем добавления молекулы воды и высвобождения исходной фосфатной группы, восстанавливая гидроксил. Оба процесса обратимы, и любой из механизмов может быть использован для активации или дезактивации белка. Фосфорилирование белка производит множество биохимических эффектов, таких как изменение его конформации для изменения его связывания с определенным лигандом для увеличения или уменьшения его активности. Фосфорилирование и дефосфорилирование могут использоваться на всех типах субстратов, таких как структурные белки, ферменты, мембранные каналы, сигнальные молекулы и другие киназы и фосфатазы. Сумма этих процессов называется фосфорегуляцией. [8] Нарушение регуляции фосфорилирования может привести к заболеванию. [9]

Посттрансляционная модификация

Во время синтеза белков полипептидные цепи, которые создаются рибосомами, транслирующими мРНК, должны быть обработаны перед принятием зрелой конформации. Дефосфорилирование белков является механизмом изменения поведения белка, часто путем активации или инактивации фермента . Компоненты аппарата синтеза белка также подвергаются фосфорилированию и дефосфорилированию и таким образом регулируют скорость синтеза белка. [10]

В рамках посттрансляционных модификаций фосфатные группы могут быть удалены из серина, треонина или тирозина. Таким образом, пути внутриклеточной передачи сигнала зависят от последовательного фосфорилирования и дефосфорилирования широкого спектра белков.

АТФ

АТФ 4− + H 2 O ⟶ АДФ 3− + HPO2−4+ Н +

Аденозинтрифосфат , или АТФ, действует как свободная энергетическая «валюта» во всех живых организмах. В реакции спонтанного дефосфорилирования высвобождается 30,5 кДж/моль, что используется для управления клеточными реакциями. В целом, неспонтанные реакции, сопряженные с дефосфорилированием АТФ, являются спонтанными из-за отрицательного изменения свободной энергии сопряженной реакции. Это важно для управления окислительным фосфорилированием. АТФ дефосфорилируется до АДФ и неорганического фосфата. [11]

На клеточном уровне дефосфорилирование АТФаз определяет поток ионов в клетку и из нее. Ингибиторы протонной помпы — это класс препаратов, которые действуют непосредственно на АТФазы желудочно-кишечного тракта.

Другие реакции

Другие молекулы, помимо АТФ, подвергаются дефосфорилированию в составе других биологических систем. Различные соединения производят различные изменения свободной энергии в результате дефосфорилирования. [11]

Псилоцибин также полагается на дефосфорилирование, чтобы метаболизироваться в псилоцин и далее элиминироваться. В настоящее время нет информации о влиянии псилоцибина на изменение свободной энергии.

Фотосистема II

Первый белковый комплекс фотосинтетического компонента светозависимых реакций называется фотосистемой II . Комплекс использует фермент для захвата фотонов света, обеспечивая более интенсивный процесс фотосинтеза со всеми электронами, необходимыми для производства АТФ. Фотосистема II особенно чувствительна к температуре, [12] и дефосфорилирование было вовлечено в качестве драйвера пластичности в ответ на изменение температуры. Ускоренное дефосфорилирование белков в фотосинтетических тилакоидных мембранах происходит при повышенных температурах, напрямую влияя на дефосфорилирование ключевых белков в комплексе фотосистемы II. [13]

Патология

Избыточное дефосфорилирование мембранных АТФаз и протонных насосов в желудочно-кишечном тракте приводит к более высоким показателям секреции едких пептических кислот. Это приводит к изжоге и эзофагиту. В сочетании с инфекцией Helicobacter pylori язвенная болезнь вызывается повышенным pH, который вызывает дефосфорилирование. [14]

Белок тау , ассоциированный с микротрубочками, аномально гиперфосфорилирован при выделении из мозга пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера . Это происходит из-за дисфункции механизмов дефосфорилирования определенных аминокислот в белке тау. Дефосфорилирование тау катализируется протеинфосфатазой-2А и фосфатазой-2В. Дефицит или модификация одного или обоих белков могут быть вовлечены в аномальное фосфорилирование тау при болезни Альцгеймера [15]

Дефосфорилирование также связано с сердечными заболеваниями , в частности, с изменением взаимодействий актина и миозина, которые являются ключевыми для обеспечения основной силы сердцебиения. Дефосфорилирование является ключевой частью кинетики миозинового цикла, которая напрямую контролирует взаимодействия актина и миозина. Когда процесс дефосфорилирования прерывается, кальций-зависимое сердечное сокращение нарушается или полностью отключается. [16]

Исследования также показали, что изменения в дефосфорилировании влияют на физиологические процессы, связанные с сахарным диабетом . Кинетика дефосфорилирования субстрата инсулинового рецептора-1/2, Akt и ERK1/2, фосфопротеинов, как показано, участвует в передаче сигналов инсулинового рецептора, а модели in vitro демонстрируют, что изменения в кинетике дефосфорилирования влияют на стимуляцию инсулина как вверх, так и вниз по течению. [17]

Уход

Ингибирование протонных насосов [14] значительно снижает кислотность желудочно-кишечного тракта, уменьшая симптомы заболеваний, связанных с кислотностью. Результирующее изменение pH снижает выживаемость бактерий H.pylori , основной причины язвенной болезни. Как только ингибитор протонного насоса уничтожает эти бактерии в кишечнике, эрозивный рефлюкс прекращается. Лечение заболеваний сердца улучшилось с использованием препаратов, которые ингибируют AMPK посредством дефосфорилирования. [18] При лечении диабета препараты сульфонилмочевины способны стимулировать дефосфорилирование транспортера глюкозы GLUT4 , снижая резистентность к инсулину и увеличивая использование глюкозы. [19]

Исследовательские приложения

Дефосфорилирование может играть ключевую роль в молекулярной биологии, в частности, в клонировании с использованием рестриктаз . Разрезанные концы вектора могут повторно лигироваться во время этапа лигирования из-за фосфорилирования. Используя дефосфорилирующую фосфатазу, можно избежать повторного лигирования. [20] Щелочные фосфатазы , которые удаляют фосфатную группу, присутствующую на 5'-конце молекулы ДНК, часто получают естественным путем, чаще всего из кишечника теленка, и сокращенно обозначаются как CIP . [21]

Основополагающие эволюционные силы

Реконструкция предкового состояния и межвидовое ортологическое выравнивание. a Реконструкция предкового состояния для человеческого Val129 (красная стрелка) на основе метода максимальной экономии (MP) в MEGA11. b Региональное выравнивание, включающее сайт человеческого Val129 (черная стрелка над выравниванием).

Естественная селекционная способность дефосфорилирования изучена меньше. Недавнее исследование показало, что IRF9, который относится к семейству факторов регуляции интерферона (IRFs), критическому семейству для противовирусного иммунного ответа, может находиться под влиянием естественного отбора в ходе эволюции человеческого вида. [22] Положительный отбор был обнаружен на аминокислотном участке Val129 (NP_006075.3:p.Ser129Val) человеческого IRF9. Предковое состояние (Ser129) сохраняется среди млекопитающих, в то время как новое состояние (Val129) было зафиксировано до события «из Африки» ~ 500 000 лет назад. Эта молодая аминокислота (Val129) может служить участком дефосфорилирования IRF9. Дефосфорилирование может влиять на иммунную активность IRF9. [22]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ardito F, Giuliani M, Perrone D, Troiano G, Lo Muzio L (август 2017 г.). «Ключевая роль фосфорилирования белков в клеточной сигнализации и его использование в качестве таргетной терапии (обзор)». International Journal of Molecular Medicine . 40 (2): 271–280. doi : 10.3892/ijmm.2017.3036 . PMC  5500920 . PMID  28656226.
  2. ^ den Hertog J (ноябрь 2003 г.). «Регуляция протеинфосфатаз при заболеваниях и поведении». EMBO Reports . 4 (11): 1027–1032. doi :10.1038/sj.embor.7400009. PMC 1326379. PMID  14578923 . 
  3. ^ Фишер Э. Х., Кребс Э. Г. (сентябрь 1955 г.). «Преобразование фосфорилазы b в фосфорилазу a в мышечных экстрактах». Журнал биологической химии . 216 (1): 121–132. doi : 10.1016/S0021-9258(19)52289-X . PMID  13252012.
  4. ^ Khandelwal RL, Vandenheede JR, Krebs EG (август 1976). «Очистка, свойства и субстратная специфичность фосфопротеинфосфатазы(й) из печени кролика». Журнал биологической химии . 251 (16): 4850–4858. doi : 10.1016/S0021-9258(17)33194-0 . PMID  8449.
  5. ^ Krebs EG, Beavo JA (1979). «Фосфорилирование-дефосфорилирование ферментов». Annual Review of Biochemistry . 48 : 923–959. doi :10.1146/annurev.bi.48.070179.004423. PMID  38740.
  6. ^ Raju TN (июнь 2000 г.). «Нобелевские хроники. 1992: Эдмонд Х. Фишер (р. 1920) и Эдвин Г. Кребс (р. 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 и др. (октябрь 1999 г.). «Кристаллическая структура супрессора опухолей PTEN: влияние на его активность фосфоинозитидфосфатазы и ассоциацию с мембраной». Cell . 99 (3): 323–334. doi : 10.1016/S0092-8674(00)81663-3 . PMID  10555148.
  8. ^ Beltrao P, Trinidad JC, Fiedler D, Roguev A, Lim WA, Shokat KM и др. (июнь 2009 г.). «Эволюция фосфорегулирования: сравнение паттернов фосфорилирования у разных видов дрожжей». PLOS Biology . 7 (6): e1000134. doi : 10.1371/journal.pbio.1000134 . PMC 2691599. PMID  19547744 . 
  9. ^ Bononi A, Agnoletto C, De Marchi E, Marchi S, Patergnani S, Bonora M и др. (2011). «Протеинкиназы и фосфатазы в контроле судьбы клеток». Enzyme Research . 2011 : 329098. doi : 10.4061/2011/329098 . PMC 3166778. PMID  21904669 . 
  10. ^ Celis JE, Madsen P, Ryazanov AG (июнь 1990). "Повышенное фосфорилирование фактора удлинения 2 во время митоза в трансформированных клетках амниона человека коррелирует с пониженной скоростью синтеза белка". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 87 (11): 4231–4235. Bibcode :1990PNAS...87.4231C. doi : 10.1073/pnas.87.11.4231 . PMC 54082 . PMID  2349232. 
  11. ^ ab Casiday R, Herman C, Frey R (5 сентября 2008 г.). «Энергия для тела: окислительное фосфорилирование». Химический факультет Вашингтонского университета . Получено 5 апреля 2013 г.
  12. ^ Ямаути, Ясуо (29 июля 2011 г.). «Растения переключают фотосистему при высокой температуре, чтобы защитить фотосистему II». Nature Precedings . doi : 10.1038/npre.2011.6168.1 .
  13. ^ Rokka A, Aro EM, Herrmann RG, Andersson B, Vener AV (август 2000 г.). «Дефосфорилирование белков реакционного центра фотосистемы II в растительных фотосинтетических мембранах как немедленная реакция на резкое повышение температуры». Plant Physiology . 123 (4): 1525–1536. doi :10.1104/pp.123.4.1525. PMC 59108 . PMID  10938368. 
  14. ^ ab Robinson M (июнь 2005 г.). «Ингибиторы протонной помпы: обновленная информация об их роли в желудочно-кишечных заболеваниях, связанных с кислотностью». International Journal of Clinical Practice . 59 (6): 709–715. doi : 10.1111/j.1368-5031.2005.00517.x . PMID  15924600. S2CID  41914054.
  15. ^ Gong CX, Grundke-Iqbal I, Iqbal K (август 1994). «Дефосфорилирование аномально фосфорилированного тау при болезни Альцгеймера протеинфосфатазой-2A». Neuroscience . 61 (4): 765–772. doi :10.1016/0306-4522(94)90400-6. PMID  7838376. S2CID  39662308.
  16. ^ Sheikh F, Ouyang K, Campbell SG, Lyon RC, Chuang J, Fitzsimons D и др. (апрель 2012 г.). «Мышиные и вычислительные модели связывают дефосфорилирование Mlc2v с измененной кинетикой миозина при ранних сердечных заболеваниях». Журнал клинических исследований . 122 (4): 1209–1221. doi :10.1172/JCI61134. PMC 3314469. PMID  22426213. 
  17. ^ Zhande R, Zhang W, Zheng Y, Pendleton E, Li Y, Polakiewicz RD, Sun XJ (декабрь 2006 г.). «Дефосфорилирование по умолчанию, потенциальный механизм регуляции субстрата инсулинового рецептора-1/2, Akt и ERK1/2». Журнал биологической химии . 281 (51): 39071–39080. doi : 10.1074/jbc.M605251200 . PMID  17068339.
  18. ^ Hutchinson DS, Summers RJ, Bengtsson T (сентябрь 2008 г.). «Регулирование активности протеинкиназы, активируемой AMP, рецепторами, сопряженными с G-белком: потенциальная полезность в лечении диабета и заболеваний сердца». Pharmacology & Therapeutics . 119 (3): 291–310. doi :10.1016/j.pharmthera.2008.05.008. PMID  18606183.
  19. ^ Мюллер Г., Вид С. (декабрь 1993 г.). «Препарат сульфонилмочевины глимепирид стимулирует транспорт глюкозы, транслокацию переносчика глюкозы и дефосфорилирование в инсулинорезистентных адипоцитах крыс in vitro» (PDF) . Диабет . 42 (12): 1852–1867. doi :10.2337/diabetes.42.12.1852. PMID  8243832.
  20. ^ Сэмбрук Дж., Фрич Э.Ф., Маниатис Т. (1989). Молекулярное клонирование: лабораторное руководство (2-е изд.). Cold Spring Harbor Laboratory Press.
  21. ^ Маковец С., Блэкберн Э. Х. (ноябрь 2009 г.). «Сигнализация повреждений ДНК предотвращает вредное добавление теломер при разрывах ДНК». Nature Cell Biology . 11 (11): 1383–1386. doi :10.1038/ncb1985. PMC 2806817 . PMID  19838171. 
  22. ^ ab Chen J, He X, Jakovlić I (ноябрь 2022 г.). "Фиксация мутации аминокислоты, специфичной для гоминина, под действием положительного отбора, связанная с дефосфорилированием в IRF9". BMC Ecology and Evolution . 22 (1): 132. doi : 10.1186/s12862-022-02088-5 . PMC 9650800. PMID  36357830 .  Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.