stringtranslate.com

Фосфорилирование

Серин в аминокислотной цепи до и после фосфорилирования.

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

Во время дыхания

Фосфорилирование необходимо для процессов как анаэробного, так и аэробного дыхания , которые включают производство аденозинтрифосфата (АТФ), «высокоэнергетической» обменной среды в клетке. Во время аэробного дыхания АТФ синтезируется в митохондриях путем добавления 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 первым этапом их катаболизма . Фосфорилирование позволяет клеткам накапливать сахара, поскольку фосфатная группа предотвращает обратную диффузию молекул через их транспортер . Фосфорилирование глюкозы является ключевой реакцией в метаболизме сахара. Химическое уравнение для превращения D-глюкозы в D-глюкозо-6-фосфат на первом этапе гликолиза имеет вид:

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

Гликолиз

Гликолиз — это важный процесс расщепления глюкозы на две молекулы пирувата , через различные этапы, с помощью различных ферментов. Он происходит в десять этапов и доказывает, что фосфорилирование — это очень требуемый и необходимый этап для получения конечных продуктов. Фосфорилирование инициирует реакцию на этапе 1 подготовительного этапа [5] (первая половина гликолиза) и инициирует этап 6 фазы выплаты (вторая фаза гликолиза). [6]

Глюкоза по своей природе является небольшой молекулой, способной диффундировать в клетку и из нее. Путем фосфорилирования глюкозы (добавлением фосфорильной группы для создания отрицательно заряженной фосфатной группы [7] ) глюкоза преобразуется в глюкозо-6-фосфат, который удерживается внутри клетки, поскольку клеточная мембрана заряжена отрицательно. Эта реакция происходит из-за фермента гексокиназы , фермента, который помогает фосфорилировать многие шестичленные кольцевые структуры. Фосфорилирование происходит на этапе 3, где фруктозо-6-фосфат преобразуется в фруктозо-1,6-бисфосфат . Эта реакция катализируется фосфофруктокиназой .

В то время как фосфорилирование осуществляется АТФ на подготовительных этапах, фосфорилирование на этапе выплаты поддерживается неорганическим фосфатом. Каждая молекула глицеральдегид-3-фосфата фосфорилируется с образованием 1,3-бисфосфоглицерата . Эта реакция катализируется глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой (GAPDH). 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 способствуют транспортировке, контролю и эффективности. [8]

Синтез гликогена

Гликоген — это долгосрочное хранилище глюкозы, вырабатываемое клетками печени . В печени синтез гликогена напрямую связан с концентрацией глюкозы в крови. Высокая концентрация глюкозы в крови вызывает увеличение внутриклеточного уровня глюкозо-6-фосфата в печени, скелетных мышцах и жировой ( адипозной ) 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 транспортировки через мембрану АТФ-D-глюкозо-6- фосфотрансферазой и неспецифической гексокиназой (АТФ-D-гексозо-6-фосфотрансферазой). [9] [10] Клетки печени свободно проницаемы для глюкозы, и начальная скорость фосфорилирования глюкозы является ограничивающим скорость этапом метаболизма глюкозы печенью. [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. [ необходимо разъяснение ] Фермент гексокиназа имеет низкую константу Михаэлиса (Km ) , что указывает на высокое сродство к глюкозе, поэтому это начальное фосфорилирование может происходить даже при уровнях глюкозы в крови наноскопического масштаба.

Фосфорилирование глюкозы может быть усилено связыванием фруктозо-6-фосфата (F6P) и уменьшено связыванием фруктозо-1-фосфата (F1P). Фруктоза, потребляемая с пищей, преобразуется в F1P в печени. 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 избыточной фруктозы в конечном итоге приводит к дисбалансу метаболизма печени, что косвенно истощает запас АТФ в клетках печени. [12]

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

Другие процессы

Фосфорилирование глюкозы необходимо для процессов в организме. Например, фосфорилирование глюкозы необходимо для инсулинозависимой механистической цели рапамицинового пути активности в сердце. Это дополнительно 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 (другими словами, на их остатках) через образование фосфоэфирных связей , на гистидине , лизине и аргинине через фосфорамидатные связи , а также на аспарагиновой кислоте и глутаминовой кислоте через смешанные ангидридные связи . Недавние данные подтверждают широко распространенное фосфорилирование гистидина как на 1, так и на 3 N-атомах имидазольного кольца . [14] [15] Недавние исследования демонстрируют широко распространенное фосфорилирование человеческих белков на нескольких неканонических аминокислотах, 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 является гораздо более сложным [16] [17] [18] , и для их сохранения наряду с классическим фосфорилированием Ser, Thr и Tyr требуются специальные процедуры и методы разделения. [19]

Значимая роль фосфорилирования белков в биохимии подтверждается 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

Ссылки

  1. ^ Беттс, Дж. Гордон (2013). "2.5 Органические соединения, необходимые для функционирования человека". Анатомия и физиология. OpenStax. ISBN 978-1-947172-04-3. Архивировано из оригинала 2023-03-31 . Получено 16 апреля 2023 .
  2. ^ 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. S2CID  253448972 .  Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
  3. ^ Oliveira AP, Sauer U (март 2012 г.). «Важность посттрансляционных модификаций в регуляции метаболизма Saccharomyces cerevisiae». FEMS Yeast Research . 12 (2): 104–117. doi : 10.1111/j.1567-1364.2011.00765.x . PMID  22128902.
  4. ^ Tripodi F, Nicastro R, Reghellin V, Coccetti P (апрель 2015 г.). «Посттрансляционные модификации метаболизма углерода у дрожжей: регуляторные механизмы, выходящие за рамки транскрипционного контроля». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Общие дисциплины . 1850 (4): 620–627. doi : 10.1016/j.bbagen.2014.12.010. hdl : 10281/138736 . PMID  25512067.
  5. ↑ Глава 14: Гликолиз и катаболизм гексоз. Архивировано из оригинала 2021-10-17 . Получено 2016-05-14 .
  6. ^ Гарретт Р. (1995). Биохимия . Saunders College.
  7. ^ "Hexokinase - Reaction". www.chem.uwec.edu . Архивировано из оригинала 2020-12-02 . Получено 2020-07-29 .
  8. ^ Maber J. "Introduction to Glycolysis". Архивировано из оригинала 6 апреля 2017 г. Получено 18 ноября 2017 г.
  9. ^ ab Walker DG, Rao S (февраль 1964). «Роль глюкокиназы в фосфорилировании глюкозы печенью крысы». The Biochemical Journal . 90 (2): 360–368. doi :10.1042/bj0900360. PMC 1202625. PMID  5834248 . 
  10. ^ ab Villar-Palasí C, Guinovart JJ (июнь 1997 г.). «Роль глюкозо-6-фосфата в контроле гликогенсинтазы». FASEB Journal . 11 (7): 544–558. doi : 10.1096/fasebj.11.7.9212078 . PMID  9212078. S2CID  2789124.
  11. ^ Walker DG, Rao S (февраль 1964). «Роль глюкокиназы в фосфорилировании глюкозы печенью крысы». The Biochemical Journal . 90 (2): 360–368. doi :10.1042/bj0900360. PMC 1202625. PMID  5834248 . 
  12. ^ "Регуляция гликолиза". cmgm.stanford.edu . Архивировано из оригинала 2009-03-03 . Получено 2017-11-18 .
  13. ^ Sharma S, Guthrie PH, Chan SS, Haq S, Taegtmeyer H (октябрь 2007 г.). «Фосфорилирование глюкозы необходимо для инсулинозависимой сигнализации mTOR в сердце». Cardiovascular Research . 76 (1): 71–80. doi :10.1016/j.cardiores.2007.05.004. PMC 2257479 . PMID  17553476. 
  14. ^ Fuhs SR, Hunter T (апрель 2017 г.). «pHisphorylation: the appearance of histidinephosphorylation as a reversible Regulatory Modification». Current Opinion in Cell Biology . 45 : 8–16. doi : 10.1016/j.ceb.2016.12.010. PMC 5482761. PMID 28129587  . 
  15. ^ Fuhs SR, Meisenhelder J, Aslanian A, Ma L, Zagorska A, Stankova M, et al. (Июль 2015 г.). «Моноклональные антитела к 1- и 3-фосфогистидину: новые инструменты для изучения фосфорилирования гистидина». Cell . 162 (1): 198–210. doi :10.1016/j.cell.2015.05.046. PMC 4491144 . PMID  26140597. 
  16. ^ ab Hardman G, Perkins S, Brownridge PJ, Clarke CJ, Byrne DP, Campbell AE и др. (октябрь 2019 г.). «Фосфопротеомика, опосредованная сильным анионным обменом, выявляет обширное неканоническое фосфорилирование человека». The EMBO Journal . 38 (21): e100847. doi : 10.15252/embj.2018100847 . PMC 6826212 . PMID  31433507. 
  17. ^ Gonzalez-Sanchez MB, Lanucara F, Hardman GE, Eyers CE (июнь 2014 г.). «Газофазный межмолекулярный перенос фосфата в димере фосфогистидина и фосфопептида». International Journal of Mass Spectrometry . 367 : 28–34. Bibcode :2014IJMSp.367...28G. doi :10.1016/j.ijms.2014.04.015. PMC 4375673 . PMID  25844054. 
  18. ^ Gonzalez-Sanchez MB, Lanucara F, Helm M, Eyers CE (август 2013 г.). «Попытка переписать историю: проблемы с анализом гистидин-фосфорилированных пептидов». Труды биохимического общества . 41 (4): 1089–1095. doi :10.1042/bst20130072. PMID  23863184.
  19. ^ Hardman G, Perkins S, Ruan Z, Kannan N, Brownridge P, Byrne DP, Eyers PA, Jones AR, Eyers CE (2017). «Обширное неканоническое фосфорилирование в клетках человека, выявленное с помощью фосфопротеомики, опосредованной сильным анионным обменом». bioRxiv 10.1101/202820 . 

Внешние ссылки