Fosforilazione

Fosforilazione
n.

Definizione: Il trasferimento di un gruppo fosforilico a una molecola

Definizione di fosforilazione

Possiamo definire la fosforilazione come un processo biochimico in cui una molecola di fosfato viene aggiunta a qualche composto organico, come il glucosio e l’adenosina difosfato (ADP). In quest’ultimo esempio, l’aggiunta del gruppo fosfato converte l’ADP in adenosina trifosfato (ATP), che è un composto molto importante che viene utilizzato per fornire energia per svolgere diversi processi nelle cellule viventi come la propagazione degli impulsi nervosi e la contrazione muscolare.

a. Cos’è la fosforilazione?

La risposta semplice è che è l’aggiunta di una molecola di fosfato a qualche composto organico.

b. Cosa significa fosforilazione?

La fosforilazione può essere considerata come una delle reazioni biochimiche vitali in cui le molecole di fosfato vengono aggiunte a qualche composto organico per renderlo utilizzabile per diverse funzioni in un essere vivente. Un’altra parola correlata è “fosforilare”, che significa anche l’introduzione di un gruppo fosforico in un composto organico.

c. La reazione di fosforilazione in biologia

La reazione di fosforilazione è di particolare importanza in biologia perché diversi processi biologici dipendono da questa reazione come l’apoptosi, l’infiammazione, la regolazione del metabolismo, il traffico subcellulare e la proliferazione. In biologia, la fosforilazione è il trasferimento di molecole di fosfato a una proteina. Questo trasferimento prepara le proteine per compiti specializzati in un essere vivente.

d. Dove avviene la fosforilazione?

La fosforilazione nei mammiferi avviene alle catene laterali di tre aminoacidi: (1) tirosina (un aminoacido prodotto nel corpo degli organismi viventi da un altro aminoacido, “fenilalanina”), (2) serina e (3) treonina. Tuttavia, alcuni studi hanno trovato anche la fosforilazione dell’istidina.

e. Quali aminoacidi possono essere fosforilati?

Gli aminoacidi che possono essere fosforilati sono tirosina, serina e treonina.

f. Quale tipo di enzima aggiunge un gruppo fosfato a un’altra molecola?

La fosforilazione è una reazione reversibile; significa che una molecola di fosfato può essere aggiunta e rimossa. Gli enzimi che sono responsabili dell’aggiunta di gruppi fosfato alle proteine sono conosciuti come “chinasi”. Quelli coinvolti nella rimozione di questi gruppi fosfato sono chiamati “fosfatasi”.

Scopi della fosforilazione

La domanda che sorge spontanea è qual è lo scopo della fosforilazione? La fosforilazione è coinvolta in molti processi biologici vitali. È coinvolta nella regolazione delle funzioni delle proteine e nella trasmissione dei segnali nelle cellule. È anche coinvolta nella crescita cellulare, nella trasduzione del segnale, nello sviluppo cellulare, nella sintesi proteica e nella divisione cellulare.

La fosforilazione è una reazione reversibile. La maggior parte degli enzimi e dei recettori sono attivati e disattivati rispettivamente per fosforilazione e defosforilazione (processo opposto alla fosforilazione). La fosforilazione degli enzimi serve come un tipo di interruttore on/off, alterando così l’attività o la funzione specifica.

La stessa molecola di fosfato è un elemento molto importante delle biomolecole. I ricercatori hanno scoperto che un gran numero di metaboliti (un prodotto intermedio o finale del metabolismo) subiscono la fosforilazione con conseguente formazione di fosfati corrispondenti nelle cellule.

Inizialmente, due scienziati Thomas Rall e Earl Sutherland stavano lavorando su una ricerca mirata alla relazione tra glucagone ed epinefrina con l’enzima glicogeno fosforilasi presente nel fegato. Hanno scoperto che i suddetti ormoni erano coinvolti nella produzione di 3,5 adenosina monofosfato ciclico. Questa sostanza chimica è stata trovata per lavorare all’interno di una cellula per attuare cambiamenti nell’attività della fosforilasi. Così la 3,5-adenosina monofosfato ciclica è una sostanza chimica che viene usata come messaggero di specifici segnali ormonali.

Le attività delle proteine sono controllate dalla fosforilazione della tirosina. La tirosina è un aminoacido prodotto dal nostro corpo da un altro aminoacido conosciuto come fenilalanina. La fosforilazione della tirosina di controllo induce cambiamenti nel substrato che sono coinvolti nell’attività enzimatica. Alcuni altri scopi della fosforilazione includono (Ardito et al, 2017):

• Degradazione delle proteine
• Regolazione dell’inibizione degli enzimi
• Funzione nella glicolisi
• Segnalazione tra proteine
• Regola le reazioni chimiche che richiedono energia.
• Meccanismo di fosforilazione

La fosforilazione delle proteine avviene sulla catena laterale di tre distinti aminoacidi, cioè serina, treonina e tirosina, che sono reversibilmente fosforilati nelle cellule eucariotiche.

Cosa succede a una molecola quando viene fosforilata? Cosa fa la fosforilazione a una molecola?

In questi amminoacidi, il gruppo nucleofilo (-OH) è mirato al gruppo fosfato terminale. Il gruppo nucleofilo (-OH) in questi aminoacidi ha come bersaglio il gruppo fosfato terminale (γ-PO32-) e viene spostato nella catena laterale dell’aminoacido dal gruppo fosfato dal donatore standard di fosforile adenosina trifosfato (ATP), noto anche come fosforilazione ATP. Il magnesio (Mg2+) promuove questa transizione, che abbassa la soglia di trasmissione del fosforile attraverso il gruppo nucleofilo (-OH) nei gruppi γ- e ß-fosfato. Questa reazione di fosforilazione è in una direzione a causa della grande quantità di energia libera prodotta quando l’ATP viene disturbato per generare adenosina difosfato (ADP) nel legame fosfato-fosfato (Silversmith, Appleby, Bourret, 1997).

Perché le proteine sono fosforilate e quali ruoli può svolgere la fosforilazione nella funzione delle proteine?

La fosforilazione è strettamente legata all’attività delle proteine ed è un punto cruciale nella regolazione della funzione delle proteine in una grande varietà di proteine. La fosforilazione regola la funzione delle proteine e la segnalazione cellulare inducendo alterazioni conformazionali nella proteina fosforilata. Tutte queste modifiche attraverso la fosforilazione di una proteina hanno un effetto sulla proteina in due modi. In primo luogo, l’attività catalitica della proteina è controllata dalle alterazioni conformazionali. Quindi, la fosforilazione può attivare o disattivare una proteina.

In secondo luogo, le proteine fosforilate stanno reclutando proteine circostanti che hanno domini strutturalmente conservati, che si identificano e si collegano con i fosfomoti. Questi domini sono distinti da aminoacidi unici. Per esempio, il dominio Src homology2 (SH2) e il dominio PTB (phosphotyrosine-binding) dimostrano la specificità della fosfotirosina (pY), anche se le differenze tra questi due tipi sono specifiche delle diverse specie di fosfotirosina.

I domini di riconoscimento della fosfoserina (pS) comprendono sia il dominio MH2 che il dominio WW mentre la fosfotireonina (treonina fosforilata) (pT) è identificata dai domini FHA associati a forkhead.

Per la trasduzione del segnale, la capacità delle fosfoproteine di reclutare altre proteine, in cui la proteina del segnale fosforilata, viene reclutata a valle.

Le modifiche post-traslazionali reversibili (PTM) sono considerate la fosforilazione delle proteine, che è regolata dalle chinasi per fosforilare e dalle fosfatasi per defosforilare i substrati. Entrambe le due classi di enzimi promuovono il comportamento dinamico delle proteine fosforilate in una cellula. Infatti, in una singola cellula, la grandezza del fosfoproteoma dipenderebbe dall’equilibrio spaziale e temporale tra le concentrazioni di chinasi e fosfatasi all’interno della cellula e la performance catalitica in una particolare posizione.

Proteine chinasi

Le chinasi sono enzimi che promuovono la transizione del fosfato nei substrati. Il proteoma umano ha predetto più di 500 chinasi. Il chinoma umano contiene questo sottoinsieme di proteine. I substrati dell’attività delle chinasi sono complessi e consistono di lipidi, zuccheri, nucleotidi e proteine.

Mentre la guanosina trifosfato è usata in alcune chinasi, l’ATP è il co-substrato quasi per ogni proteina chinasi. Per la conversione nucleotidilica, pirofosforilica e fosforilica, l’ATP è perfetto per la transizione delle classi α-, β- o γ-fosfato, rispettivamente. Il sito di legame dell’ATP è di solito mantenuto, mentre la specificità del substrato delle chinasi differisce.

Le protein chinasi sono classificate in sottogruppi che hanno specificità e contengono tirosin chinasi o serina/treonina chinasi per domini catalitici unici. Le serina/treonina chinasi costituiscono circa l’80% del chinoma dei mammiferi, e pS e pT sono composti da più del 90% del fosfoproteoma. La ricerca ha indicato che 1800:200:1 è il rapporto di abbondanza relativa di pS:pT:pY in una cellula. Mentre pY potrebbe non essere diffuso come pS e pT, a causa della sua connessione alla malattia umana attraverso la disregolazione delle tirosin-chinasi del recettore (RTKs), la fosforilazione globale della tirosina è in cima alla lista delle priorità della scienza biomedica (Taylor & Kornev, 2011).

La specificità del substrato della proteina chinasi dipende non solo dall’amminoacido desiderato ma anche dalle sequenze consensuali che lo circondano. Queste sequenze consensuali permettono la fosforilazione di una singola proteina in alcune chinasi e di diversi substrati fosforilati (>300). Di conseguenza, le chinasi possono anche essere in grado di fosforilare singole proteine singole o molti aminoacidi dove le sequenze di consenso specifiche della chinasi sono accessibili.

Le chinasi hanno subunità di controllo che servono come domini di attivazione o autoinibizione con diversi substrati di regolazione. Un approccio tipico per controllare l’attività delle chinasi è la fosforilazione di queste subunità. Allo stato basale, la maggior parte delle protein-chinasi sono defosforilate e inattive. Un numero limitato di chinasi fosforilate sono costitutivamente attive e intrinsecamente inefficienti o inattive. In alcune chinasi, tra cui Src, la fosforilazione e la defosforilazione devono essere mescolate, dimostrando che questo proto-oncogene è altamente regolato. Il comportamento della chinasi può anche essere regolato da proteine di impalcatura e adattatori controllando l’interazione spaziale tra le chinasi e i regolatori a monte e a valle.

Incubando l’immunoprecipitato con substrati di varie chinasi e ATP si può testare l’attività di particolari chinasi. Per questa forma di test, sono disponibili strumenti commerciali attrezzati per ottenere un’identificazione colorimetrica, radiometrica o fluorometrica. Anche se questa forma di saggi mostra l’attività, compreso l’arricchimento delle chinasi, di particolari chinasi, non includono dettagli sulle proteine che le chinasi modificano o l’azione dell’attività fosfatasica endogena.

Cascate di trasduzione del segnale

Come è importante la fosforilazione in una cascata di trasduzione del segnale?

Questa forma di PTM è adatta alla trasduzione del segnale a causa della reversibilità della fosforilazione delle proteine, il che significa che le cellule possono facilmente adattarsi a stimoli intracellulari o extracellulari. Le cascate di trasduzione del segnale sono distinte da una o più proteine che segnalano sensibilmente i sensori fisici tramite il legame di un ligando o la scissione o qualche altra reazione. Questi recettori si attivano a valle in caso di fosforilazione delle chinasi, e poi fosforilano e attivano i loro substrati cognati a valle, insieme a ulteriori chinasi, prima di raggiungere la risposta precisa. Le cascate di trasduzione del segnale possono essere lineari, dove la chinasi A attiva B e successivamente la chinasi C, e così via. Sono state identificate anche vie di segnalazione che potenziano il segnale iniziale; le chinasi A attivano diverse chinasi, che alla fine stimolano altre chinasi. Una singola molecola può causare attività cellulari globali come la proliferazione, per esempio, con questo tipo di segnale.

Fosfatasi proteiche

Ci sono tre vie che regolano il tasso e la portata della segnalazione legata alla fosforilazione:

• Separazione del ligando stimolante
• Proteolisi della chinasi o del substrato
• Defosforilazione della fosfatasi

È noto che il proteoma umano comprende circa fosfatasi di 150 proteine che sono del campione di residui pS pT e pY. Anche se l’obiettivo finale di entrambi i gruppi di fosfatasi è la defosforilazione, lo fanno per mezzo di vie diverse. L’idrolisi immediata nel gruppo fosforo dell’atomo di fosforo è regolata dalle fosfatasi serina/treonina da centri bimetallici, (Fe/Zn) e tirosina. Le fosfatasi sviluppano un intermedio covalente tiofosforilico che permette l’eliminazione dei residui di tirosina.

Tipi di fosforilazione

Diversi tipi di molecole possono essere soggette a fosforilazione e defosforilazione. Tre delle forme più comuni di fosforilazione sono:

1. Fosforilazione del glucosio
2. Fosforilazione delle proteine
3. Fosforilazione ossidativa

Fosforilazione del glucosio

La fosforilazione del glucosio avviene quando inizialmente il glucosio viene fosforilato con vari altri zuccheri nel suo catabolismo. Nella glicolisi, per esempio, il D-glucosio è inizialmente convertito in D-glucosio-6-fosfato. Il glucosio è una piccola molecola a rapida permeazione. La natura minuscola del glucosio tende a penetrare rapidamente nelle cellule.

La fosforilazione è un enzima più grande che non può penetrare rapidamente nel tessuto. La fosforilazione è anche essenziale per la regolazione delle concentrazioni di glucosio nel sangue. La concentrazione di glucosio, in particolare, è direttamente legata alla produzione di glicogeno. La fosforilazione del glucosio è anche associata allo sviluppo cardiaco.

Fosforilazione delle proteine

La fosforilazione delle proteine avviene quando l’amminoacido è attaccato al gruppo fosforilato. Tipicamente l’amminoacido è la serina anche se la treonina e la tirosina negli eucarioti e l’istidina nei procarioti sono ancora presenti con la fosforilazione. Questa è considerata una reazione di esterificazione quando un gruppo fosfato interagisce con il gruppo idrossile (-OH) di una catena laterale di serina, treonina o tirosina. L’aminoacido è legato covalentemente con il gruppo fosfato attraverso l’enzima proteina chinasi. Il meccanismo esatto varia considerevolmente tra i procarioti e gli eucarioti. Le modifiche post-traslazionali (PTM), che indicano che le proteine sono fosforilate dopo la conversione dal modello RNA, sembra essere il tipo di fosforilazione meglio studiato. Le fosfatasi proteiche catalizzano la defosforilazione e le reazioni inverse.

Fosforilazione del DNA

La fosforilazione degli istoni può essere considerata un importante esempio di fosforilazione delle proteine. Il DNA è accoppiato alle proteine istone che formano la cromatina negli eucarioti. La fosforilazione degli istoni influenza la struttura della cromatina e cambia le relazioni tra DNA-proteine e proteine-proteine. Tipicamente, la fosforilazione avviene quando il DNA viene distrutto, fornendo nuovi posti attraverso il DNA danneggiato proprio perché le tecniche di riparazione possano funzionare correttamente.

La fosforilazione delle proteine gioca un ruolo cruciale nel metabolismo e nelle vie di segnalazione, oltre al suo significato nella riparazione del DNA.

Fosforilazione ossidativa

L’energia chimica rilasciata e assorbita da una cellula è realizzata attraverso la fosforilazione ossidativa. Le reazioni all’interno dei mitocondri nascono nella cellula eucariotica. La fosforilazione ossidativa contiene interazioni nella catena di trasporto degli elettroni e nella chemiosmosi. In conclusione, la trasmissione di elettroni per reazione redox da molecole e proteine attraverso la catena di trasporto degli elettroni nella membrana interna dei mitocondri, producendo l’energia necessaria per creare adenosina trifosfato (ATP) in chemiosmosi.

Durante questo processo, NADH e FADH2 trasmettono elettroni alla catena di trasporto degli elettroni. Gli elettroni passano dall’energia più alta a quella più bassa mentre si muovono lungo la catena e rilasciano energia lungo il percorso. Per sviluppare un gradiente elettrochimico, molta di questa energia va a spostare ioni idrogeno (H+). Alla fine della rete, gli elettroni sono convertiti in ossigeno, creando acqua interagendo con gli ioni H+. Questi ioni consegnano l’energia dell’ATP synthase al sintetizzatore di ATP. La degradazione del gruppo fosfato produce energia che può essere consumata dalla cellula quando l’ATP viene defosforilato.

L’adenosina potrebbe non essere l’unica base sottoposta a fosforilazione per produrre AMP, ADP e ATP. La guanosina, per esempio, può anche sviluppare GMP, GDP e GTP.

Rilevare la fosforilazione

Lo spettrometro di massa, l’elettroforesi e gli anticorpi sono utilizzati per rilevare la fosforilazione di una molecola. Tuttavia, è difficile riconoscere e caratterizzare i siti di fosforilazione. La marcatura isotopica è anche usata in combinazione con la fluorescenza, l’elettroforesi e gli immunodosaggi.

Importanza biologica della fosforilazione

Nella transazione energetica degli organismi viventi, alcuni fosfati organici, che sviluppano i tessuti mediante reazioni chimiche anaboliche, svolgono un ruolo importante. Nell’analisi di Harden e Young, che ha dimostrato che la fermentazione del glucosio da parte del succo di lievito senza cellule è migliorata rapidamente quando il fosforo inorganico è stato applicato ai media, e successivamente trasformato in fosfato organico, è stata dimostrata l’importanza dei fosfati organici nel metabolismo e sono stati riportati i risultati.

Importanza fisiologica della fosforilazione

Il protoplasma cellulare è costruito da acido fosforico. Per tutte le cellule, quindi, la fosforilazione è un importante processo chimico. Svolge anche una funzione vitale quando assorbe e metabolizza molteplici prodotti alimentari.

La sua influenza sulle molteplici vie del metabolismo è descritta di seguito:

In relazione ai carboidrati:

i. La fosforilazione è utile per l’assorbimento dei carboidrati da parte della mucosa intestinale e per il riassorbimento del glucosio renale. In ognuno di questi epiteli, si crea il fosfato di esoso. Questa molecola adotta la defosforilazione, gli esosi raggiungono il flusso sanguigno e l’acido fosforico viene lasciato solo.

ii. Si pensa che la sintesi del glicogeno dal glucosio e la degradazione del glicogeno in glucosio nel fegato e nei muscoli avvengano durante la fosforilazione.

iii. La fosforilazione si verifica di solito in tutte le fasi durante i cambiamenti chimici che seguono la contrazione muscolare. La fosforilazione e la defosforilazione avvengono alternativamente qui. Una varietà di composti fosforilati scompone il glicogeno in acido lattico.

In relazione ai grassi:

i. I grassi neutri e i fosfolipidi sono prodotti nell’epitelio assorbente soprattutto durante la digestione dei grassi. La fosforilazione è formata dall’enzima fosforilasi.

ii. I fosfolipidi, specialmente la lecitina, sono la sintesi del fegato. Il trasporto dei grassi è un passo molto necessario. Serve anche come fase principale quando gli acidi grassi sono più ossidati. L’ossidazione degli acidi grassi è una funzione mitocondriale.

In relazione alle proteine e alle vitamine:

La produzione di tutte le fosfoproteine, comprese le nucleoproteine, caseinogeni, ecc è un passo essenziale.
La fosforilazione è quindi probabile che svolga una funzione importante nell’ossidazione dei tessuti attraverso la quale le proteine, i grassi e i carboidrati vengono infine decomposti.
Per quanto riguarda la vitamina. Alcuni gruppi di vitamina B contengono composti come il fosfato di riboflavina, il pirofosfato di tiamina, ecc. Nelle fasi di ossidazione e riduzione nelle cellule, si suppone che siano coenzimi.

Controllo della fosforilazione

La fosforilazione si pensa sia specificamente dovuta alla corteccia surrenale. L’inibizione della fosforilazione adrenalectomia è accelerata dai glucocorticoidi.

L’ipofisi anteriore può fornire una regolazione avanzata della fosforilazione dalla corteccia surrenale attraverso il suo ormone adrenocorticotropo. Una successiva interruzione della fosforilazione, che colpisce l’assorbimento, il metabolismo e la nutrizione del corpo, può spiegare in parte lo stato marasmico delle malattie della corteccia surrenale.