Phosphorylation

Fins de la phosphorylation

La question qui se pose ici est de savoir quel est le but de la phosphorylation. La phosphorylation est impliquée dans de nombreux processus biologiques vitaux. Elle est impliquée dans la régulation des fonctions des protéines et la transmission des signaux dans les cellules. Elle est également impliquée dans la croissance cellulaire, la transduction des signaux, le développement cellulaire, la synthèse des protéines et la division cellulaire.

La phosphorylation est une réaction réversible. La plupart des enzymes et des récepteurs sont activés et désactivés respectivement par la phosphorylation et la déphosphorylation (opposé du processus de phosphorylation). La phosphorylation des enzymes sert de type d’interrupteur marche/arrêt, modifiant ainsi l’activité ou la fonction spécifique.

La molécule de phosphate elle-même est un élément très important des biomolécules. Les chercheurs ont découvert qu’un grand nombre de métabolites (un produit intermédiaire ou final du métabolisme) subissent une phosphorylation entraînant la formation des phosphates correspondants dans les cellules.

Initialement, deux scientifiques Thomas Rall et Earl Sutherland travaillaient sur des recherches ciblées sur la relation entre le glucagon et l’épinéphrine avec l’enzyme, la glycogène phosphorylase présente dans le foie. Ils ont découvert que les hormones susmentionnées étaient impliquées dans la production d’adénosine monophosphate 3,5-cyclique. On a découvert que cette substance chimique agit à l’intérieur d’une cellule pour modifier l’activité de la phosphorylase. Ainsi, l’adénosine monophosphate 3,5-cyclique est un produit chimique qui est utilisé comme messager de signaux hormonaux spécifiques.

Les activités protéiques sont contrôlées par la phosphorylation de la tyrosine. La tyrosine est un acide aminé produit par notre corps à partir d’un autre acide aminé connu sous le nom de phénylalanine. La phosphorylation de la tyrosine de contrôle induit des changements dans le substrat qui sont impliqués dans l’activité enzymatique. Certains autres objectifs de la phosphorylation comprennent (Ardito et al…, 2017):

• Dégradation des protéines
• Régulation de l’inhibition des enzymes
• Fonction dans la glycolyse
• Signalisation entre les protéines
• Régulation des réactions chimiques nécessitant de l’énergie.
• Mécanisme de la phosphorylation

La phosphorylation des protéines se produit sur la chaîne latérale de trois acides aminés distincts, à savoir la sérine, la thréonine et la tyrosine, qui sont phosphorylés de manière réversible dans les cellules eucaryotes.

Qu’arrive-t-il à une molécule lorsqu’elle est phosphorylée ? Que fait la phosphorylation à une molécule ?

Dans ces acides aminés, le groupe nucléophile (-OH) est ciblé sur le groupe phosphate terminal. Dans ces acides aminés, le groupe nucléophile (-OH) cible le groupe terminal phosphate (γ-PO32-) et est déplacé vers la chaîne latérale de l’acide aminé à partir du groupe phosphate par le donneur de phosphore standard adénosine triphosphate (ATP), également connu sous le nom de phosphorylation ATP. Le magnésium (Mg2+) favorise cette transition, qui abaisse le seuil de transmission du phosphoryle par le groupe nucléophile (-OH) des groupes γ- et ß-phosphate. Cette réaction de phosphorylation est à sens unique en raison de la grande quantité d’énergie libre produite lorsque l’ATP est perturbé pour générer l’adénosine diphosphate (ADP) dans la liaison phosphate -phosphate (Silversmith, Appleby, Bourret, 1997).

Pourquoi les protéines sont-elles phosphorylées et quels rôles la phosphorylation peut-elle jouer dans la fonction des protéines ?

La phosphorylation est étroitement liée à l’activité des protéines et constitue un point crucial dans la régulation de la fonction des protéines à travers une grande variété de protéines. La phosphorylation régit la fonction des protéines et la signalisation cellulaire en induisant des modifications de conformation dans la protéine phosphorylée. Toutes ces modifications par phosphorylation d’une protéine ont un effet sur la protéine de deux façons. Premièrement, l’activité catalytique de la protéine est contrôlée par les modifications de conformation. Par conséquent, la phosphorylation peut activer ou désactiver une protéine.

Deuxièmement, les protéines phosphorylées recrutent des protéines environnantes qui ont des domaines structurellement retenus, qui identifient et se lient aux phosphomotifs. Ces domaines se distinguent par des acides aminés uniques. Par exemple, le domaine Src homology2 (SH2), et le domaine de liaison à la phosphotyrosine (PTB) démontrent la spécificité de la phosphotyrosine (pY), bien que les différences entre ces deux types soient spécifiques aux différentes espèces de phosphotyrosine.

Les domaines de reconnaissance de la phosphosérine (pS) comprennent à la fois le domaine MH2 ainsi que le domaine WW tandis que la phosphothréonine (thréonine phosphorylée) (pT) est identifiée par les domaines FHA associés à la fourche.

Pour la transduction du signal, la capacité des phosphoprotéines à recruter d’autres protéines, dans lesquelles la protéine de signal phosphorylée, est recrutée en aval.

Les modifications post-traductionnelles (PTM) réversibles sont considérées comme la phosphorylation des protéines, qui est régulée par les kinases pour phosphoryler et les phosphatases pour déphosphoryler les substrats. Ces deux classes d’enzymes favorisent le comportement dynamique de la protéine phosphorylée dans une cellule. En fait, dans une seule cellule, l’ampleur du phosphoprotéome dépendrait de l’équilibre spatial et temporel entre les concentrations de kinase et de phosphatase dans la cellule et la performance catalytique à une position particulière.

Protéines kinases

Les kinases sont des enzymes qui favorisent la transition du phosphate vers les substrats. Le protéome humain a prédit plus de 500 kinases. Le kinome humain contient ce sous-ensemble de protéines. Les substrats de l’activité kinase sont complexes et se composent de lipides, de sucres, de nucléotides et de protéines.

Alors que la guanosine triphosphate est utilisée dans quelques kinases, l’ATP est le cosubstrat de presque toutes les protéines kinases. Pour la conversion nucléotidyl-, pyrophosphoryl- et phosphoryl, l’ATP est parfait pour la transition des classes α-, β- ou γ-phosphate, respectivement. Le site de liaison de l’ATP est généralement conservé alors que la spécificité du substrat des kinases diffère.

Les protéines kinases sont classées en sous-groupes qui ont une spécificité et contiennent des tyrosine kinases ou des sérine/thréonine kinases pour des domaines catalytiques uniques. Les sérine/thréonine kinases constituent environ 80 % du kinome des mammifères, et les pS et pT représentent plus de 90 % du phosphoprotéome. Des recherches ont indiqué que le rapport d’abondance relative de pS:pT:pY dans une cellule est de 1800:200:1. Bien que le pY ne soit pas aussi répandu que le pS et le pT, en raison de son lien avec les maladies humaines par le biais de la dérégulation des récepteurs tyrosine kinases (RTK), la phosphorylation globale de la tyrosine est en tête de la liste des priorités de la science biomédicale (Taylor & Kornev, 2011).

La spécificité du substrat de la protéine kinase dépend non seulement de l’acide aminé désiré mais aussi des séquences consensuelles qui l’entourent. Ces séquences consensuelles permettent la phosphorylation d’une seule protéine chez certaines kinases et de plusieurs substrats phosphorylés (>300). Par conséquent, les kinases peuvent également être capables de phosphoryler une protéine individuelle, un seul ou plusieurs acides aminés, lorsque les séquences consensus spécifiques aux kinases sont accessibles.

Les kinases possèdent des sous-unités de contrôle qui servent de domaines d’activation ou d’auto-inhibition avec différents substrats régulateurs. Une approche typique pour contrôler l’activité des kinases est la phosphorylation de ces sous-unités. À l’état basal, la plupart des protéines kinases sont déphosphorylées et inactives. Un nombre limité de kinases phosphorylées sont constitutivement actives et intrinsèquement inefficaces ou inactives. Dans certaines kinases, dont Src, la phosphorylation et la déphosphorylation doivent être mélangées, ce qui montre que ce proto-oncogène est hautement régulé. Le comportement des kinases peut également être régulé par des protéines d’échafaudage et d’adaptation en contrôlant l’interaction spatiale entre les kinases et les régulateurs en amont et en aval.

L’incubation de l’immunoprécipité avec des substrats de diverses kinases et de l’ATP permettra de tester l’activité de kinases particulières. Pour cette forme de dosage, des outils commerciaux sont disponibles et sont équipés pour réaliser une identification colorimétrique, radiométrique ou fluorométrique. Bien que cette forme de tests affiche l’activité, y compris l’enrichissement en kinases, de kinases particulières, ils ne comprennent pas de détails sur les protéines que les kinases modifient ou l’action de l’activité phosphatase endogène.

Cascades de transduction du signal

Comment la phosphorylation est-elle importante dans une cascade de transduction du signal ?

Cette forme de PTM est adaptée à la transduction du signal en raison de la réversibilité de la phosphorylation des protéines, ce qui signifie que les cellules peuvent facilement s’adapter aux stimuli intracellulaires ou extracellulaires. Les cascades de transduction du signal se distinguent par une ou plusieurs protéines qui signifient de manière sensible les capteurs physiques soit par la liaison d’un ligand, soit par le clivage ou une autre réaction. Ces récepteurs activent en aval en cas de phosphorylation de kinases, puis phosphorylent et activent leurs substrats cognés en aval, ainsi que d’autres kinases, avant que la réponse précise ne soit atteinte. Les cascades de transduction du signal peuvent être linéaires, la kinase A activant la kinase B, puis la kinase C, et ainsi de suite. Des voies de signalisation qui renforcent le signal initial ont également été identifiées ; les kinases A activent plusieurs kinases, qui finissent par stimuler d’autres kinases. Une seule molécule peut provoquer des activités cellulaires globales comme la prolifération, par exemple, avec ce type de signal.

Protéines phosphatases

Il existe trois voies régulant le taux et l’étendue de la signalisation liée à la phosphorylation :

• Séparation du ligand stimulant
• Protéolyse de la kinase ou du substrat
• Déphosphorylation de la phosphatase

On sait que le protéome humain comprend environ des phosphatases de 150 protéines qui sont de spécimen de résidus pS pT et pY. Bien que la cible finale des deux groupes de phosphatases soit la déphosphorylation, elles y parviennent par des voies différentes. L’hydrolyse immédiate du groupe phosphoré de l’atome de phosphore est régulée par les sérine/thréonine phosphatases par des centres bimétalliques, (Fe/Zn) et la tyrosine. Les phosphatases développent un intermédiaire covalent thiophosphoryle qui permet l’élimination des résidus tyrosine.

Types de phosphorylation

Plusieurs types de molécules peuvent être soumis à la phosphorylation et à la déphosphorylation. Trois des formes les plus courantes de phosphorylation sont :

1. Phosphorylation du glucose
2. Phosphorylation des protéines
3. Phosphorylation oxydative

Phosphorylation du glucose

La phosphorylation du glucose a lieu lorsqu’initialement le glucose est phosphorylé avec divers autres sucres lors de son catabolisme. Dans la glycolyse, par exemple, le D-glucose est initialement converti en D-glucose-6-phosphate. Le glucose est une petite molécule à pénétration rapide. La nature minuscule du glucose a tendance à pénétrer rapidement dans les cellules.

La phosphorylation est une enzyme plus grosse qui ne peut pas pénétrer rapidement dans les tissus. La phosphorylation est également essentielle à la régulation de la concentration de glucose dans le sang. La concentration de glucose, en particulier, est directement liée à la production de glycogène. La phosphorylation du glucose est également associée au développement cardiaque.

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Phosphorylation des protéines

La phosphorylation des protéines a lieu lorsque l’acide aminé est attaché au groupe phosphorylate. Typiquement, l’acide aminé est la sérine même si on trouve encore la thréonine et la tyrosine chez les eucaryotes et l’histidine chez les procaryotes avec la phosphorylation. On parle de réaction d’estérification lorsqu’un groupe phosphate interagit avec le groupe hydroxyle (-OH) d’une chaîne latérale de sérine, de thréonine ou de tyrosine. L’acide aminé est fixé de manière covalente au groupe phosphate par l’enzyme protéine kinase. Le mécanisme exact varie considérablement entre les procaryotes et les eucaryotes. Les modifications post-traductionnelles (PTM), indiquant que les protéines sont phosphorylées après la conversion du modèle ARN, semblent être le type de phosphorylation le mieux étudié. Les protéines phosphatases catalysent la déphosphorylation et les réactions inverses.

La phosphorylation de l’ADN

La phosphorylation des histones peut être considérée comme un exemple important de phosphorylation des protéines. Chez les eucaryotes, l’ADN est apparié à des protéines histones formant la chromatine. La phosphorylation des histones affecte la structure de la chromatine et modifie les relations entre l’ADN et les protéines et entre les protéines et les protéines. Généralement, la phosphorylation a lieu lorsque l’ADN est détruit, fournissant de nouveaux endroits à travers l’ADN endommagé juste pour que les techniques de réparation puissent fonctionner correctement.

La phosphorylation des protéines joue un rôle crucial dans le métabolisme et les voies de signalisation, en plus de son importance dans la réparation de l’ADN.

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Phosphorylation oxydative

L’énergie chimique libérée et absorbée par une cellule est réalisée par la phosphorylation oxydative. Les réactions au sein des mitochondries surviennent dans la cellule eucaryote. La phosphorylation oxydative contient des interactions dans la chaîne de transport des électrons et la chimiosmose. En conclusion, la transmission d’électrons par réaction d’oxydoréduction à partir de molécules et de protéines à travers la chaîne de transport d’électrons dans la membrane interne des mitochondries, produisant l’énergie nécessaire pour créer l’adénosine triphosphate (ATP) dans la chimiosmose.

Pendant ce processus, NADH et FADH2 transmettent des électrons à la chaîne de transport d’électrons. Les électrons passent d’une énergie supérieure à une énergie inférieure en descendant la chaîne et libèrent de l’énergie en cours de route. Pour développer un gradient électrochimique, une grande partie de cette énergie sert à déplacer les ions hydrogène (H+). À l’extrémité du réseau, les électrons sont convertis en oxygène, créant de l’eau en interagissant avec les ions H+. Ces ions transmettent l’énergie de l’ATP synthase au synthétiseur d’ATP. La dégradation du groupe phosphate produit de l’énergie d’une manière qui peut être consommée par la cellule lorsque l’ATP est déphosphorylée.

L’adénosine n’est peut-être pas la seule base à subir une phosphorylation pour produire de l’AMP, de l’ADP et de l’ATP. La guanosine, par exemple, peut également développer du GMP, du GDP et du GTP.

Détecter la phosphorylation

Le spectromètre de masse, l’électrophorèse et les anticorps sont utilisés pour détecter la phosphorylation d’une molécule. Cependant, il est difficile de reconnaître et de caractériser les sites de phosphorylation. Le marquage isotopique est également utilisé en combinaison avec la fluorescence, l’électrophorèse et les immunoessais.

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Importance biologique de la phosphorylation

Dans l’énergie de transaction des organismes vivants, certains phosphates organiques, qui développent les tissus par des réactions chimiques anaboliques, jouent un rôle majeur. Dans l’analyse de Harden et Young, qui a montré que la fermentation du glucose par le jus de levure acellulaire s’améliorait rapidement lorsque du phosphore inorganique était appliqué au milieu, et se transformait ensuite en phosphate organique, l’importance des phosphates organiques dans le métabolisme a été montrée et les résultats ont été rapportés.

Importance physiologique de la phosphorylation

Le protoplasme cellulaire est construit à partir de l’acide phosphorique. Pour toutes les cellules, la phosphorylation est donc un processus chimique important. Elle joue également une fonction vitale lors de l’absorption et du métabolisme de multiples produits alimentaires.

Son influence sur les multiples voies du métabolisme est décrite ci-dessous :

En relation avec les glucides :

i. La phosphorylation est bénéfique pour l’absorption des glucides par la muqueuse intestinale ainsi que pour la réabsorption du glucose rénal. Dans chacun de ces épithéliums, l’hexose phosphate est créé. Cette molécule adopte la déphosphorylation, les hexoses arrivent dans le sang et l’acide phosphorique reste seul.

ii. La synthèse du glycogène à partir du glucose et la dégradation du glycogène en glucose dans le foie et les muscles se produiraient pendant la phosphorylation.

iii. La phosphorylation se produit généralement à toutes les étapes pendant les changements chimiques qui suivent la contraction musculaire. La phosphorylation et la déphosphorylation ont lieu alternativement à cet endroit. Une variété de composés phosphorylés décompose le glycogène en acide lactique.

En ce qui concerne les graisses :

i. Les graisses neutres et les phospholipides sont produits dans l’épithélium absorbant principalement lors de la digestion des graisses. La phosphorylation est formée par l’enzyme phosphorylase.

ii. Les phospholipides, notamment la lécithine, sont la synthèse du foie. Le transport des graisses est une étape très nécessaire. Il sert également d’étape principale lorsque les acides gras sont plus oxydés. L’oxydation des acides gras est une fonction mitochondriale.

En relation avec les protéines et les vitamines:

La production de toutes les phosphoprotéines, y compris les nucléoprotéines, les caséinogènes, etc.
La phosphorylation est donc susceptible de jouer une fonction importante dans l’oxydation des tissus par laquelle les protéines, les graisses et les glucides sont finalement décomposés.
En ce qui concerne la vitamine. Certains groupes de vitamines B contiennent des composés tels que le phosphate de riboflavine, le pyrophosphate de thiamine, etc. Lors des étapes d’oxydation et de réduction dans les cellules, ils sont supposés être des coenzymes.

Contrôle de la phosphorylation

La phosphorylation serait spécifiquement due à la corticosurrénale. L’inhibition de la phosphorylation par la surrénale est accélérée par les glucocorticoïdes.

L’antéhypophyse pourrait assurer une régulation avancée de la phosphorylation par la corticosurrénale grâce à son hormone adrénocorticotrope. Une perturbation ultérieure de la phosphorylation, qui affecte l’absorption, le métabolisme et la nutrition de l’organisme, peut expliquer en partie l’état marasmique des maladies de la corticosurrénale.

Les maladies de la corticosurrénale sont des maladies de l’environnement.