stringtranslate.com

Дефосфорилирование

В биохимии дефосфорилирование — это удаление фосфатной группы (PO 4 3- ) из органического соединения путем гидролиза . Это обратимая посттрансляционная модификация . Дефосфорилирование и его аналог, фосфорилирование , активируют и деактивируют ферменты путем отсоединения или присоединения фосфорных эфиров и ангидридов . Примечательным явлением дефосфорилирования является превращение АТФ в АДФ и неорганический фосфат.

Для дефосфорилирования используется тип гидролитического фермента, или гидролазы , который расщепляет сложноэфирные связи. Известным подклассом гидролаз, используемым при дефосфорилировании, является фосфатаза , которая удаляет фосфатные группы путем гидролиза моноэфиров фосфорной кислоты на фосфатный ион и молекулу со свободной гидроксильной (-OH) группой.

Обратимая реакция фосфорилирования-дефосфорилирования происходит во всех физиологических процессах, что делает правильную функцию протеинфосфатаз необходимой для жизнеспособности организма. Поскольку дефосфорилирование белка является ключевым процессом, участвующим в передаче сигналов в клетках , [1] протеинфосфатазы участвуют в таких состояниях, как заболевания сердца, диабет и болезнь Альцгеймера. [2]

История

Открытие дефосфорилирования произошло в результате серии экспериментов по изучению фермента фосфорилазы, выделенного из скелетных мышц кролика. В 1955 году Эдвин Кребс и Эдмонд Фишер использовали меченую радиоактивным изотопом АТФ, чтобы определить, что фосфат добавляется к сериновому остатку фосфорилазы, чтобы преобразовать его из формы b в форму посредством фосфорилирования. [3] Впоследствии Кребс и Фишер показали, что это фосфорилирование является частью киназного каскада. Наконец, после очистки фосфорилированной формы фермента фосфорилазы а из печени кролика использовали ионообменную хроматографию для идентификации фосфопротеинфосфатаз I и II. [4]

С момента открытия этих дефосфорилирующих белков обратимая природа фосфорилирования и дефосфорилирования была связана с широким спектром функциональных белков, в первую очередь ферментативных, но также включая неферментативные белки. [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 человеческой фосфатазы и гомолога тензина (PTEN). Активный сайт синего домена N-концевой фосфатазы показан желтым цветом. С-концевой домен С2 показан красным. [7]

Фосфорилирование и дефосфорилирование гидроксильных групп нейтральных, но полярных аминокислот , таких как серин, треонин и тирозин, в специфических белках-мишенях является фундаментальной частью регуляции каждого физиологического процесса. Фосфорилирование включает ковалентную модификацию гидроксила 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, регенерируя гидроксил. Оба процесса обратимы, и любой механизм можно использовать для активации или деактивации белка. Фосфорилирование белка вызывает множество биохимических эффектов, таких как изменение его конформации для изменения его связывания со специфическим лигандом для увеличения или уменьшения его активности. Фосфорилирование и дефосфорилирование можно использовать 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 подвергнуться процессингу, прежде чем принять зрелую конформацию. Дефосфорилирование белков — это механизм 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 сигналов зависят от последовательного фосфорилирования и дефосфорилирования широкого спектра белков.

СПС

АТФ 4- + Н 2 О ⟶ АДФ 3- + ГПО 4 2- + Н +

Аденозинтрифосфат , или АТФ, действует как «валюта» свободной энергии во всех живых организмах. В ходе спонтанной реакции дефосфорилирования высвобождается 30,5 кДж/моль, что используется для запуска клеточных реакций. В целом, несамопроизвольные реакции, связанные с дефосфорилированием АТФ, являются спонтанными из-за отрицательного изменения свободной энергии связанной реакции. Это важно для стимулирования окислительного фосфорилирования. АТФ дефосфорилируется до АДФ и неорганического фосфата. [11]

На клеточном уровне дефосфорилирование АТФаз определяет поток ионов в клетку и из нее. Ингибиторы протонной помпы представляют собой 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 вызывают разные изменения свободной энергии в результате дефосфорилирования. [11]

Псилоцибин также зависит от дефосфорилирования, который метаболизируется в псилоцин и далее выводится. Никакой информации о влиянии псилоцибина на изменение свободной энергии в настоящее время нет.

Фотосистема II

Первый белковый комплекс, входящий в состав светозависимых реакций фотосинтеза , называется фотосистемой II . Комплекс использует фермент для захвата фотонов света, обеспечивая более мощный процесс фотосинтеза со всеми электронами, необходимыми для производства АТФ. Фотосистема II особенно чувствительна к температуре [12] , а дефосфорилирование считается фактором 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

Чрезмерное дефосфорилирование мембранных АТФаз и протонных насосов в желудочно-кишечном тракте приводит к повышению скорости секреции едких пептических кислот. Это приводит к изжоге и эзофагиту. В сочетании с инфекцией Helicobacter pylori язвенная болезнь возникает из-за повышенного уровня рН, вызываемого дефосфорилированием. [14]

Связанный с микротрубочками белок тау аномально гиперфосфорилируется при выделении из головного мозга пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера . Это связано с дисфункцией механизмов дефосфорилирования определенных аминокислот тау-белка. Дефосфорилирование тау катализируется протеинфосфатазой-2А и фосфатазой-2В. Дефицит или модификация одного или обоих белков может быть вовлечена в аномальное фосфорилирование тау при болезни Альцгеймера [15].

Дефосфорилирование также связано с заболеваниями сердца , особенно с изменением взаимодействий актина и миозина, которые являются ключевыми для обеспечения основной силы сердцебиения. Дефосфорилирование является ключевой частью кинетики цикла миозина, которая напрямую контролирует взаимодействия актина и миозина. Когда процесс дефосфорилирования прерывается, кальцийзависимое сокращение сердца нарушается или полностью прекращается. [16]

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

Уход

Ингибирование протонной помпы [14] существенно снижает кислотность желудочно-кишечного тракта, уменьшая симптомы кислотозависимых заболеваний. Результирующее изменение pH снижает выживаемость бактерий H.pylori , основной причины язвенной болезни. Как только ингибитор протонной помпы уничтожает эти бактерии в кишечнике, обращая вспять эрозивный рефлюкс. Лечение сердечно-сосудистых заболеваний улучшилось благодаря использованию препаратов, ингибирующих AMPK посредством дефосфорилирования. [18] При лечении диабета препараты сульфонилмочевины способны стимулировать дефосфорилирование транспортера глюкозы GLUT4 , снижая резистентность к инсулину и повышая утилизацию глюкозы. [19]

Исследовательские приложения

Дефосфорилирование может играть ключевую роль в молекулярной биологии, особенно в клонировании с использованием ферментов рестрикции . Обрезанные концы вектора могут повторно лигироваться на этапе 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 получаются естественным путем, чаще всего из кишечника теленка, и обозначаются сокращенно CIP . [21]

Основополагающие эволюционные силы

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

Способность естественного отбора к дефосфорилированию менее понятна. Недавнее исследование показало, что IRF9, принадлежащий к семейству факторов, регулирующих интерферон (IRF), критическому семейству для противовирусного иммунного ответа, может подвергаться влиянию естественного отбора в ходе эволюции человеческого вида. [22] Положительный отбор был обнаружен на аминокислотном сайте Val129 (NP_006075.3:p.Ser129Val) человеческого IRF9. Родовое состояние (Ser129) сохранилось среди млекопитающих, тогда как новое состояние (Val129) было зафиксировано до события «вне Африки» ~ 500 000 лет назад. Эта молодая аминокислота (Val129) может служить местом дефосфорилирования IRF9. Дефосфорилирование может влиять на иммунную активность IRF9. [22]

Рекомендации

  1. ^ Ардито Ф, Джулиани М, Перроне Д, Трояно Дж, Ло Муцио Л (август 2017 г.). «Решающая роль фосфорилирования белков в передаче сигналов в клетках и его использование в качестве таргетной терапии (обзор)». Международный журнал молекулярной медицины . 40 (2): 271–280. дои : 10.3892/ijmm.2017.3036 . ПМК  5500920 . ПМИД  28656226.
  2. ^ Den Hertog J (ноябрь 2003 г.). «Регуляция протеинфосфатаз при заболеваниях и поведении». Отчеты ЭМБО . 4 (11): 1027–1032. дои : 10.1038/sj.embor.7400009. ПМЦ 1326379 . ПМИД  14578923. 
  3. ^ Фишер Э.Х., Кребс Э.Г. (сентябрь 1955 г.). «Превращение фосфорилазы b в фосфорилазу а в мышечных экстрактах». Журнал биологической химии . 216 (1): 121–132. дои : 10.1016/S0021-9258(19)52289-X . ПМИД  13252012.
  4. ^ Хандельвал Р.Л., Ванденхид-младший, Кребс Э.Г. (август 1976 г.). «Очистка, свойства и субстратная специфичность фосфопротеинфосфатазы из печени кролика». Журнал биологической химии . 251 (16): 4850–4858. дои : 10.1016/S0021-9258(17)33194-0 . ПМИД  8449.
  5. ^ Кребс Э.Г., Беаво Дж.А. (1979). «Фосфорилирование-дефосфорилирование ферментов». Ежегодный обзор биохимии . 48 : 923–959. doi : 10.1146/annurev.bi.48.070179.004423. ПМИД  38740.
  6. ^ Раджу, Т.Н. (июнь 2000 г.). «Нобелевские хроники. 1992: Эдмонд Х. Фишер (р. 1920) и Эдвин Дж. Кребс (р. 1918)». Ланцет . 355 (9219): 2004. doi :10.1016/S0140-6736(05)72951-2. PMID  10859071. S2CID  54322974.
  7. ^ PDB : 1d5r ​; Ли ДЖО, Ян Х, Джорджеску ММ, Ди Кристофано А, Маехама Т, Ши Ю и др. (октябрь 1999 г.). «Кристаллическая структура супрессора опухоли PTEN: значение его активности фосфоинозитидфосфатазы и мембранной ассоциации». Клетка . 99 (3): 323–334. дои : 10.1016/S0092-8674(00)81663-3 . ПМИД  10555148.
  8. ^ Бельтрао П., Тринидад Дж.К., Фидлер Д., Рогуев А., Лим В.А., Шокат К.М. и др. (июнь 2009 г.). «Эволюция фосфорегуляции: сравнение моделей фосфорилирования у разных видов дрожжей». ПЛОС Биология . 7 (6): e1000134. дои : 10.1371/journal.pbio.1000134 . ПМЦ 2691599 . ПМИД  19547744. 
  9. ^ Бонони А., Аньолетто С., Де Марчи Е., Марки С., Патерньяни С., Бонора М. и др. (2011). «Протеинкиназы и фосфатазы в контроле судьбы клеток». Ферментные исследования . 2011 : 329098. doi : 10.4061/2011/329098 . ПМК 3166778 . ПМИД  21904669. 
  10. ^ Селис Дж. Э., Мэдсен П., Рязанов А. Г. (июнь 1990 г.). «Увеличенное фосфорилирование фактора элонгации 2 во время митоза в трансформированных клетках амниона человека коррелирует со снижением скорости синтеза белка». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 87 (11): 4231–4235. Бибкод : 1990PNAS...87.4231C. дои : 10.1073/pnas.87.11.4231 . ПМК 54082 . ПМИД  2349232. 
  11. ^ ab Кэсидей Р., Герман С., Фрей Р. (5 сентября 2008 г.). «Энергия для тела: окислительное фосфорилирование». Химический факультет Вашингтонского университета . Проверено 5 апреля 2013 г.
  12. ↑ Ямаути, Ясуо (29 июля 2011 г.). «Растения переключают фотосистему при высокой температуре, чтобы защитить фотосистему II». Предшественники природы . дои : 10.1038/npre.2011.6168.1 .
  13. ^ Рокка А., Аро Э.М., Херрманн Р.Г., Андерссон Б., Венер А.В. (август 2000 г.). «Дефосфорилирование белков реакционного центра фотосистемы II в фотосинтетических мембранах растений как немедленная реакция на резкое повышение температуры». Физиология растений . 123 (4): 1525–1536. дои : 10.1104/стр.123.4.1525. ПМК 59108 . ПМИД  10938368. 
  14. ^ аб Робинсон М (июнь 2005 г.). «Ингибиторы протонной помпы: обновленная информация об их роли в желудочно-кишечных заболеваниях, связанных с кислотой». Международный журнал клинической практики . 59 (6): 709–715. дои : 10.1111/j.1368-5031.2005.00517.x . PMID  15924600. S2CID  41914054.
  15. ^ Гонг CX, Грундке-Икбал I, Икбал К (август 1994 г.). «Дефосфорилирование аномально фосфорилированного тау-белка при болезни Альцгеймера с помощью протеинфосфатазы-2А». Нейронаука . 61 (4): 765–772. дои : 10.1016/0306-4522(94)90400-6. PMID  7838376. S2CID  39662308.
  16. ^ Шейх Ф., Оуян К., Кэмпбелл С.Г., Лион Р.К., Чуанг Дж., Фицсаймонс Д. и др. (апрель 2012 г.). «Мышиные и компьютерные модели связывают дефосфорилирование Mlc2v с изменением кинетики миозина при ранних сердечных заболеваниях». Журнал клинических исследований . 122 (4): 1209–1221. дои : 10.1172/JCI61134. ПМЦ 3314469 . ПМИД  22426213. 
  17. ^ Чжанде Р., Чжан В., Чжэн Ю., Пендлтон Э., Ли Ю., Полакевич Р.Д., Сунь XJ (декабрь 2006 г.). «Дефосфорилирование по умолчанию, потенциальный механизм регуляции субстрата инсулиновых рецепторов-1/2, Akt и ERK1/2». Журнал биологической химии . 281 (51): 39071–39080. дои : 10.1074/jbc.M605251200 . ПМИД  17068339.
  18. ^ Хатчинсон Д.С., Саммерс Р.Дж., Бенгтссон Т. (сентябрь 2008 г.). «Регуляция активности AMP-активируемой протеинкиназы с помощью рецепторов, связанных с G-белком: потенциальная полезность в лечении диабета и болезней сердца». Фармакология и терапия . 119 (3): 291–310. doi :10.1016/j.pharmthera.2008.05.008. ПМИД  18606183.
  19. ^ Мюллер Г., Вид С. (декабрь 1993 г.). «Препарат сульфонилмочевины, глимепирид, стимулирует транспорт глюкозы, транслокацию транспортера глюкозы и дефосфорилирование в инсулинорезистентных адипоцитах крысы in vitro» (PDF) . Диабет . 42 (12): 1852–1867. дои : 10.2337/диабет.42.12.1852. ПМИД  8243832.
  20. ^ Сэмбрук Дж., Фрич Э.Ф., Маниатис Т. (1989). Молекулярное клонирование: Лабораторное руководство (2-е изд.). Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор.
  21. ^ Маковец С., Блэкберн Э.Х. (ноябрь 2009 г.). «Передача сигналов о повреждении ДНК предотвращает вредное добавление теломер при разрывах ДНК». Природная клеточная биология . 11 (11): 1383–1386. дои : 10.1038/ncb1985. ПМК 2806817 . ПМИД  19838171. 
  22. ^ аб Чен Дж, Хе X, Яковлич I (ноябрь 2022 г.). «Позитивная фиксация специфичной для гоминина аминокислотной мутации, связанная с дефосфорилированием в IRF9», вызванная положительным отбором. BMC Экология и эволюция . 22 (1): 132. дои : 10.1186/s12862-022-02088-5 . ПМК 9650800 . ПМИД  36357830.  Текст был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0.