Fosforilación
Fosforilación
n.
Definición: La transferencia de un grupo fosforilo a una molécula
Definición de fosforilación
Podemos definir la fosforilación como un proceso bioquímico en el que se añade una molécula de fosfato a algún compuesto orgánico, como la glucosa y el difosfato de adenosina (ADP). En este último ejemplo, la adición del grupo fosfato convierte el ADP en trifosfato de adenosina (ATP), que es un compuesto muy importante que se utiliza para proporcionar energía para llevar a cabo varios procesos en las células vivas, como la propagación del impulso nervioso y la contracción muscular.
a. ¿Qué es la fosforilación?
La respuesta sencilla es que es la adición de una molécula de fosfato a algún compuesto orgánico.
b. ¿Qué significa fosforilación?
La fosforilación puede considerarse como una de las reacciones bioquímicas vitales en las que se añaden moléculas de fosfato a algún compuesto orgánico para hacerlo utilizable para diversas funciones en un ser vivo. Otra palabra relacionada es «fosforilar», que también significa la introducción de un grupo fosforilo en un compuesto orgánico.
c. Reacción de fosforilación en biología
La reacción de fosforilación es de especial importancia en biología porque varios procesos biológicos dependen de esta reacción como la apoptosis, la inflamación, la regulación del metabolismo, el tráfico subcelular y la proliferación. En biología, la fosforilación es la transferencia de moléculas de fosfato a una proteína. Esta transferencia prepara a las proteínas para tareas especializadas en un ser vivo.
d. ¿Dónde se produce la fosforilación?
La fosforilación en los mamíferos se produce en las cadenas laterales de tres aminoácidos: (1) tirosina (un aminoácido producido en el cuerpo de los organismos vivos a partir de otro aminoácido, la «fenilalanina»), (2) serina y (3) treonina. Sin embargo, algunos estudios también han encontrado que la fosforilación de la histidina también está presente.
e. ¿Qué aminoácidos pueden ser fosforilados?
Los aminoácidos que pueden ser fosforilados son la tirosina, la serina y la treonina.
f. ¿Qué tipo de enzima añade un grupo fosfato a otra molécula?
La fosforilación es una reacción reversible; significa que una molécula de fosfato puede ser añadida y retirada. Las enzimas que se encargan de añadir grupos fosfato a las proteínas se conocen como «quinasas». Las que participan en la eliminación de estos grupos fosfato se denominan «fosfatasas».
Propósitos de la fosforilación
La pregunta que surge aquí es ¿cuál es el propósito de la fosforilación? La fosforilación está involucrada en muchos procesos biológicos vitales. Está implicada en la regulación de las funciones de las proteínas y en la transmisión de señales en las células. También interviene en el crecimiento celular, la transducción de señales, el desarrollo celular, la síntesis de proteínas y la división celular.
La fosforilación es una reacción reversible. La mayoría de las enzimas y los receptores se activan y desactivan mediante la fosforilación y la desfosforilación (proceso inverso a la fosforilación), respectivamente. La fosforilación de las enzimas sirve como un tipo de interruptor de encendido y apagado, alterando así la actividad o función específica.
La molécula de fosfato en sí misma es un elemento muy importante de las biomoléculas. Los investigadores han descubierto que un gran número de metabolitos (un producto intermedio o final del metabolismo) sufren una fosforilación que da lugar a la formación de los fosfatos correspondientes en las células.
En un principio, dos científicos, Thomas Rall y Earl Sutherland, trabajaban en una investigación dirigida a la relación entre el glucagón y la epinefrina con la enzima, la glucógeno fosforilasa presente en el hígado. Descubrieron que las citadas hormonas estaban implicadas en la producción de monofosfato de adenosina 3,5-cíclico. Se descubrió que esta sustancia química actúa en el interior de la célula para aplicar cambios en la actividad de la fosforilasa. Así, el monofosfato de adenosina 3,5-cíclico es una sustancia química que se utiliza como mensajero de señales hormonales específicas.
Las actividades de las proteínas están controladas por la fosforilación de la tirosina. La tirosina es un aminoácido producido por nuestro cuerpo a partir de otro aminoácido conocido como fenilalanina. La fosforilación del control de la tirosina induce cambios en el sustrato que están involucrados en la actividad enzimática. Algunos otros propósitos de la fosforilación incluyen (Ardito et al, 2017):
- Degradación de proteínas
- Regulación de la inhibición enzimática
- Función en la glucólisis
- Señalización entre proteínas
- Regula las reacciones químicas que requieren energía.
- Mecanismo de fosforilación
- Separación del ligando estimulante
- Proteólisis de la quinasa o del sustrato
- Desfosforilación de la fosfatasa
- Fosforilación de la glucosa
- Fosforilación de las proteínas
- Fosforilación oxidativa
La fosforilación de las proteínas se produce en la cadena lateral de tres aminoácidos distintos, a saber, la serina, la treonina y la tirosina, que se fosforilan de forma reversible en las células eucariotas.
¿Qué le ocurre a una molécula cuando se fosforila? ¿Qué le hace la fosforilación a una molécula?
En estos aminoácidos, el grupo nucleófilo (-OH) se dirige al grupo fosfato terminal. En estos aminoácidos, el grupo nucleófilo (-OH) se dirige al grupo fosfato terminal (γ-PO32-) y se traslada a la cadena lateral del aminoácido desde el grupo fosfato mediante el donante de fósforo estándar adenosín trifosfato (ATP), también conocido como fosforilación del ATP. El magnesio (Mg2+) favorece esta transición, que reduce el umbral de transmisión del fosforilo a través del grupo nucleófilo (-OH) en los grupos γ- y ß-fosfato. Esta reacción de fosforilación es en una dirección debido a la gran cantidad de energía libre que se produce cuando el ATP es perturbado para generar difosfato de adenosina (ADP) en el enlace fosfato-fosfato (Silversmith, Appleby, Bourret, 1997).
¿Por qué se fosforilan las proteínas y qué papeles puede desempeñar la fosforilación en la función proteica?
La fosforilación está estrechamente vinculada a la actividad proteica y es un punto crucial en la regulación de la función proteica en una amplia variedad de proteínas. La fosforilación gobierna la función de las proteínas y la señalización celular al inducir alteraciones conformacionales en la proteína fosforilada. Todas estas modificaciones al fosforilar una proteína tienen un efecto sobre la misma de dos maneras. En primer lugar, la actividad catalítica de la proteína es controlada por las alteraciones conformacionales. Por lo tanto, la fosforilación puede activar o desactivar una proteína.
En segundo lugar, las proteínas fosforiladas están reclutando proteínas circundantes que tienen dominios estructuralmente retenidos, que se identifican y enlazan con los fosfomotivos. Estos dominios se distinguen por aminoácidos únicos. Por ejemplo, el dominio de homología Src2 (SH2), y el dominio de unión a fosfotirosina (PTB) demuestran la especificidad de la fosfotirosina (pY), aunque las diferencias entre estos dos tipos son específicas de las diferentes especies de fosfotirosina.
Los dominios de reconocimiento para la fosfoserina (pS) comprenden tanto el dominio MH2 como el dominio WW, mientras que la fosfotreonina (treonina fosforilada) (pT) es identificada por los dominios FHA asociados a la cabeza de horquilla.
Para la transducción de señales, la capacidad de las fosfoproteínas para reclutar a otras proteínas, en las que la proteína de señal fosforilada, es reclutada aguas abajo.
Se considera que las modificaciones postraduccionales reversibles (PTM) son la fosforilación de proteínas, que está regulada por las quinasas para fosforilar y las fosfatasas para desfosforilar sustratos. Ambas clases de enzimas promueven el comportamiento de la dinámica de las proteínas fosforiladas en una célula. De hecho, en una sola célula, la magnitud del fosfoproteoma dependería del equilibrio espacial y temporal entre las concentraciones de quinasas y fosfatasas dentro de la célula y el rendimiento catalítico en una posición concreta.
Proteínas quinasas
Las quinasas son enzimas que promueven la transición del fosfato a los sustratos. En el proteoma humano se han predicho más de 500 quinasas. El cinoma humano contiene este subconjunto de proteínas. Los sustratos de la actividad cinasa son complejos y consisten en lípidos, azúcares, nucleótidos y proteínas.
Mientras que la guanosina trifosfato se utiliza en unas pocas cinasas, el ATP es el co-sustrato de casi todas las proteínas cinasas. Para la conversión de nucleotidil, pirofosforil y fosforil, el ATP es perfecto para la transición de las clases de α-, β- o γ-fosfato, respectivamente. El sitio de unión del ATP suele conservarse mientras que la especificidad del sustrato de las quinasas difiere.
Las proteínas quinasas se clasifican en subgrupos que tienen especificidad y contienen tirosina quinasas o serina/treonina quinasas para dominios catalíticos únicos. Las serina/treonina quinasas constituyen aproximadamente el 80 por ciento del cinoma de los mamíferos, y las pS y pT están compuestas por más del 90 por ciento del fosfoproteoma. La investigación ha indicado que la proporción de abundancia relativa de pS:pT:pY en una célula es de 1800:200:1. Aunque la pY puede no estar tan extendida como la pS y la pT, debido a su conexión con las enfermedades humanas a través de la desregulación de las tirosina quinasas receptoras (RTK), la fosforilación global de la tirosina ocupa el primer lugar en la lista de prioridades de la ciencia biomédica (Taylor & Kornev, 2011).
La especificidad del sustrato de la proteína quinasa depende no sólo del aminoácido deseado, sino también de las secuencias consensuadas que lo rodean. Estas secuencias consensuadas permiten la fosforilación de una sola proteína en ciertas quinasas y de varios sustratos fosforilados (>300). En consecuencia, las quinasas también pueden ser capaces de fosforilar proteínas individuales de uno o muchos aminoácidos cuando las secuencias consenso específicas de la quinasa son accesibles.
Las quinasas tienen subunidades de control que sirven como dominios activadores o autoinhibidores con diferentes sustratos reguladores. Un enfoque típico para controlar la actividad de las quinasas es la fosforilación de estas subunidades. En el estado basal, la mayoría de las proteínas quinasas están desfosforiladas e inactivas. Un número limitado de quinasas fosforiladas son constitutivamente activas e inherentemente ineficientes o inactivas. En ciertas quinasas, incluida la Src, la fosforilación y la desfosforilación tienen que ser mixtas, lo que demuestra que este protooncogen está altamente regulado. El comportamiento de la quinasa también puede ser regulado por proteínas de andamiaje y adaptadoras, controlando la interacción espacial entre las quinasas y los reguladores upstream y downstream.
La incubación del inmunoprecipitado con sustratos de varias quinasas y ATP pondrá a prueba la actividad de determinadas quinasas. Para esta forma de ensayo, hay herramientas comerciales disponibles y están equipadas para lograr la identificación colorimétrica, radiométrica o fluorométrica. Aunque esta forma de ensayos muestra la actividad, incluyendo el enriquecimiento de quinasas, de quinasas particulares, no incluyen detalles sobre las proteínas que las quinasas cambian o la acción de la actividad de las fosfatasas endógenas.
Cascadas de transducción de señales
¿Cómo es de importante la fosforilación en una cascada de transducción de señales?
Esta forma de PTM es adecuada para la transducción de señales debido a la reversibilidad de la fosforilación de proteínas, lo que significa que las células pueden adaptarse fácilmente a los estímulos intracelulares o extracelulares. Las cascadas de transducción de la señal se distinguen por una o más proteínas que señalan sensiblemente los sensores físicos, ya sea por la unión de un ligando o la escisión o alguna otra reacción. Estos receptores se activan aguas abajo en caso de fosforilación de quinasas, y luego fosforilan y activan sus sustratos aguas abajo conocidos, junto con otras quinasas, antes de que se alcance la respuesta precisa. Las cascadas de transducción de señales pueden ser lineales, en las que la quinasa A activa la B y posteriormente la quinasa C, y así sucesivamente. También se han identificado vías de señalización que potencian la señal inicial; las quinasas A activan varias quinasas, que finalmente estimulan otras quinasas. Una sola molécula puede provocar actividades celulares globales como la proliferación, por ejemplo, con este tipo de señales.
Fosfatasas de proteínas
Hay tres vías que regulan la tasa y el alcance de la señalización relacionada con la fosforilación:
Se sabe que el proteoma humano incluye alrededor de fosfatasas de 150 proteínas que son del tipo de residuos pS pT y pY. Aunque el objetivo final de ambos grupos de fosfatasas es la desfosforilación, lo hacen mediante vías diferentes. La hidrólisis inmediata en el grupo fósforo del átomo de fósforo es regulada por las serina/treonina fosfatasas por centros bimetálicos, (Fe/Zn) y tirosina. Las fosfatasas desarrollan un intermedio covalente tiofosfórico que permite la eliminación de los residuos de tirosina.
Varios tipos de moléculas pueden ser objeto de fosforilación y desfosforilación. Tres de las formas más comunes de fosforilación son:
Fosforilación de la glucosa
La fosforilación de la glucosa tiene lugar cuando inicialmente la glucosa es fosforilada con varios otros azúcares en su catabolismo. En la glucólisis, por ejemplo, la D-glucosa se convierte inicialmente en D-glucosa-6-fosfato. La glucosa es una molécula pequeña de rápida permeabilidad. La naturaleza diminuta de la glucosa tiende a penetrar rápidamente en las células.
La fosforilación es una enzima más grande que no puede penetrar rápidamente en el tejido. La fosforilación es también esencial para la regulación de las concentraciones de glucosa en sangre. La concentración de glucosa, en particular, está directamente relacionada con la producción de glucógeno. La fosforilación de la glucosa también está asociada al desarrollo cardíaco.
Fosforilación de proteínas
La fosforilación de proteínas tiene lugar cuando el aminoácido se une al grupo fosforilato. Típicamente el aminoácido es la serina aunque la treonina y la tirosina en eucariotas y la histidina en procariotas se encuentran todavía con fosforilación. Se considera una reacción de esterificación cuando un grupo fosfato interactúa con el grupo hidroxilo (-OH) de una cadena lateral de serina, treonina o tirosina. El aminoácido se une covalentemente con el grupo fosfato a través de la enzima proteína quinasa. El mecanismo exacto varía considerablemente entre procariotas y eucariotas. Las modificaciones postraduccionales (PTM), que indican que las proteínas se fosforilan tras la conversión del patrón de ARN, parecen ser el tipo de fosforilación mejor estudiado. Las proteínas fosfatasas catalizan la desfosforilación y las reacciones inversas.
Fosforilación del ADN
La fosforilación de las histonas puede considerarse un ejemplo importante de fosforilación de proteínas. El ADN está emparejado con las proteínas histonas que forman la cromatina en los eucariotas. La fosforilación de las histonas afecta a la estructura de la cromatina y cambia las relaciones entre el ADN y la proteína. Normalmente, la fosforilación tiene lugar cuando se destruye el ADN, proporcionando nuevos lugares a través del ADN dañado justo para que las técnicas de reparación puedan funcionar correctamente.
La fosforilación de las proteínas juega un papel crucial en el metabolismo y las vías de señalización, además de su importancia en la reparación del ADN.
Fosforilación oxidativa
La energía química liberada y absorbida por una célula se lleva a cabo mediante la fosforilación oxidativa. En la célula eucariota se producen reacciones dentro de las mitocondrias. La fosforilación oxidativa contiene interacciones en la cadena de transporte de electrones y la quimiosmosis. En conclusión, la transmisión de electrones por reacción redox desde moléculas y proteínas a través de la cadena de transporte de electrones hacia la membrana interna de la mitocondria, produciendo la energía necesaria para crear trifosfato de adenosina (ATP) en la quimiosmosis.
Durante este proceso, el NADH y el FADH2 transmiten electrones a la cadena de transporte de electrones. Los electrones fluyen de mayor a menor energía a medida que descienden por la cadena y liberan energía por el camino. Para desarrollar un gradiente electroquímico, gran parte de esta energía se destina a mover iones de hidrógeno (H+). Al final de la red, los electrones se convierten en oxígeno, creando agua al interactuar con los iones H+. Estos iones entregan la energía de la ATP sintasa al sintetizador de ATP. La degradación del grupo fosfato produce energía de una forma que puede ser consumida por la célula a medida que el ATP es desfosforilado.
La adenosina puede no ser la única base que sufre fosforilación para producir AMP, ADP y ATP. La guanosina, por ejemplo, también puede desarrollar GMP, GDP y GTP.
Detección de la fosforilación
El espectrómetro de masas, la electroforesis y los anticuerpos se utilizan para detectar la fosforilación de una molécula. Sin embargo, es difícil reconocer y caracterizar los sitios de fosforilación. El marcado isotópico también se utiliza en combinación con la fluorescencia, la electroforesis y los inmunoensayos.
En la transacción energética de los organismos vivos, algunos fosfatos orgánicos, que desarrollan tejidos por reacciones químicas anabólicas, juegan un papel importante. En el análisis de Harden y Young, que demostró que la fermentación de la glucosa por el jugo de la levadura libre de células mejoraba rápidamente cuando se aplicaba fósforo inorgánico al medio, y posteriormente se transformaba en fosfato orgánico, se demostró la importancia de los fosfatos orgánicos en el metabolismo y se informó de los hallazgos.
Importancia fisiológica de la fosforilación
El protoplasma celular se construye a partir del ácido fosfórico. Por lo tanto, para todas las células, la fosforilación es un proceso químico importante. También desempeña una función vital a la hora de absorber y metabolizar múltiples productos alimenticios.
Su influencia en las múltiples vías del metabolismo se describe a continuación:
En relación con los hidratos de carbono:
i. La fosforilación es beneficiosa para la absorción de los hidratos de carbono por la mucosa intestinal, así como para la reabsorción de la glucosa renal. En cada uno de estos epitelios se crea la hexosa fosfato. Esta molécula adopta la desfosforilación, las hexosas llegan al torrente sanguíneo y el ácido fosfórico se queda solo.
ii. Se cree que la síntesis de glucógeno a partir de la glucosa y la degradación del glucógeno en glucosa en el hígado y los músculos se produce durante la fosforilación.
iii. La fosforilación suele ocurrir en todas las etapas durante los cambios químicos que siguen a la contracción muscular. Aquí tienen lugar alternativamente la fosforilación y la desfosforilación. Una variedad de compuestos fosforilados descomponen el glucógeno en ácido láctico.
En relación con las grasas:
i. Las grasas neutras y los fosfolípidos se producen en el epitelio absorbente sobre todo durante la digestión de las grasas. La fosforilación está formada por la enzima fosforilasa.
ii. Los fosfolípidos, especialmente la lecitina, son la síntesis del hígado. El transporte de la grasa es un paso muy necesario. También sirve como la etapa principal cuando los ácidos grasos son más oxidados. La oxidación de los ácidos grasos es una función mitocondrial.
En relación con las proteínas y las vitaminas:
La producción de todas las fosfoproteínas, incluyendo las nucleoproteínas, los caseinógenos, etc es un paso esencial.
La fosforilación, por tanto, es probable que desempeñe una función importante en la oxidación de los tejidos a través de la cual se descomponen finalmente las proteínas, las grasas y los hidratos de carbono.
En lo que respecta a la vitamina. Algunos grupos de vitamina B contienen compuestos como el fosfato de riboflavina, el pirofosfato de tiamina, etc. En las etapas de oxidación y reducción en las células, se supone que son coenzimas.
Se cree que la fosforilación se debe específicamente a la corteza suprarrenal. La inhibición de la fosforilación adrenalectomía es acelerada por los glucocorticoides.
La pituitaria anterior puede proporcionar una regulación de la fosforilación avanzada por la corteza suprarrenal a través de su hormona adrenocorticotrópica. Una interrupción de la fosforilación posterior, que afecta a la absorción, el metabolismo y la nutrición del cuerpo, puede explicar parcialmente el estado marásmico de las enfermedades de la corteza suprarrenal.