Fosforylacja

Fosforylacja
n.

Definicja: Przeniesienie grupy fosforanowej do cząsteczki

Table of Contents

Cele fosforylacji

W tym miejscu pojawia się pytanie, jaki jest cel fosforylacji? Fosforylacja jest zaangażowana w wiele istotnych procesów biologicznych. Jest zaangażowana w regulację funkcji białek i przekazywanie sygnałów w komórkach. Jest również zaangażowana we wzrost komórek, transdukcję sygnałów, rozwój komórek, syntezę białek i podział komórek.

Fosforylacja jest reakcją odwracalną. Większość enzymów i receptorów są aktywowane i dezaktywowane przez fosforylację i dephosphorylation (przeciwieństwo procesu fosforylacji), odpowiednio. Fosforylacja enzymów służy jako rodzaj przełącznika on/off, zmieniając w ten sposób ich specyficzną aktywność lub funkcję.

Sama cząsteczka fosforanu jest bardzo ważnym elementem biomolekuł. Naukowcy odkryli, że duża liczba metabolitów (produktów pośrednich lub końcowych przemiany materii) ulega fosforylacji, w wyniku której w komórkach powstają odpowiednie fosforany.

Początkowo dwaj naukowcy Thomas Rall i Earl Sutherland pracowali nad badaniami ukierunkowanymi na związek glukagonu i epinefryny z enzymem, fosforylazą glikogenu obecną w wątrobie. Odkryli oni, że wspomniane hormony biorą udział w produkcji 3,5-cyklicznego adenozynomonofosforanu. Stwierdzono, że ten związek chemiczny działa wewnątrz komórki w celu wprowadzenia zmian w aktywności fosforylazy. Tak więc 3,5-cykliczny monofosforan adenozyny jest substancją chemiczną, która jest używana jako posłaniec określonych sygnałów hormonalnych.

Aktywność białek jest kontrolowana przez fosforylację tyrozyny. Tyrozyna jest aminokwasem produkowanym przez nasz organizm z innego aminokwasu znanego jako fenyloalanina. Fosforylacja tyrozyny kontroli wywołuje zmiany w substratu, które są zaangażowane w aktywności enzymatycznej. Niektóre inne cele fosforylacji obejmują (Ardito i in., 2017):

• Degradacja białek
• Regulacja inhibicji enzymów
• Funkcja w glikolizie
• Sygnalizacja między białkami
• Regulacja reakcji chemicznych wymagających energii.
• Mechanizm fosforylacji

Fosforylacja białek zachodzi na łańcuchu bocznym trzech różnych aminokwasów, mianowicie seryny, treoniny i tyrozyny, które są odwracalnie fosforylowane w komórkach eukariotycznych.

Co się dzieje z cząsteczką, gdy jest ona fosforylowana? Co fosforylacja robi z cząsteczką?

W tych aminokwasach grupa nukleofilowa (-OH) jest ukierunkowana na końcową grupę fosforanową. Grupa nukleofilowa (-OH) w tych aminokwasach jest ukierunkowana na końcową grupę fosforanową (γ-PO32-) i jest przenoszona do łańcucha bocznego aminokwasu z grupy fosforanowej przez standardowego donora fosforylu – adenozynotrójfosforan (ATP), znany również jako fosforylacja ATP. Magnez (Mg2+) wspomaga to przejście, co obniża próg przenoszenia fosforylu przez grupę nukleofilową (-OH) w grupach γ- i ß-fosforanowych. Ta reakcja fosforylacji przebiega w jednym kierunku z powodu ogromnej ilości energii swobodnej wytwarzanej, gdy ATP jest zakłócany w celu wytworzenia difosforanu adenozyny (ADP) w wiązaniu fosforan-fosforan (Silversmith, Appleby, Bourret, 1997).

Dlaczego białka są fosforylowane i jaką rolę może odgrywać fosforylacja w funkcji białek?

Fosforylacja jest ściśle związana z aktywnością białek i stanowi kluczowy punkt w regulacji funkcji białek w szerokim zakresie. Fosforylacja reguluje funkcję białek i sygnalizację komórkową poprzez indukowanie zmian konformacyjnych w fosforylowanym białku. Wszystkie te modyfikacje poprzez fosforylację białka wpływają na białko na dwa sposoby. Po pierwsze, aktywność katalityczna białka jest monitorowana przez zmiany konformacyjne. Stąd fosforylacja może aktywować lub dezaktywować białko.

Po drugie, fosforylowane białka rekrutują białka otaczające, które mają strukturalnie zachowane domeny, które identyfikują i łączą się z fosfotifami. Domeny te są wyróżniane przez unikalne aminokwasy. Na przykład domena homologii Src2 (SH2) i domena PTB (ang. phosphotyrosine-binding) wykazują specyficzność wobec fosfotyrozyny (pY), choć różnice między tymi dwoma typami są specyficzne dla różnych gatunków fosfotyrozyny.

Domeny rozpoznające fosfoserynę (pS) obejmują zarówno domenę MH2, jak i domenę WW, podczas gdy fosfotreonina (fosforylowana treonina) (pT) jest identyfikowana przez domeny FHA związane z forkhead.

Dla transdukcji sygnału, zdolność fosfoprotein do rekrutacji innych białek, w którym fosforylowane białko sygnałowe, jest rekrutowany downstream.

Odwracalne modyfikacje potranslacyjne (PTM) jest uważany za fosforylacji białek, który jest regulowany przez kinazy do fosforylacji i fosfatazy do dephosphorylate substratów. Obie klasy enzymów promują dynamikę fosforylowanych białek w komórce. W rzeczywistości, w pojedynczej komórce, wielkość fosfoproteomu zależy od równowagi przestrzennej i czasowej pomiędzy stężeniami kinaz i fosfataz w komórce oraz wydajności katalitycznej w danej pozycji.

Kinazy białkowe

Kinazy są enzymami, które promują przejście fosforanu do substratów. W ludzkim proteomie przewidziano ponad 500 kinaz. Ludzki kinom zawiera ten podzbiór białek. Substraty aktywności kinaz są złożone i składają się z lipidów, cukrów, nukleotydów i białek.

Podczas gdy trójfosforan guanozyny jest używany w kilku kinazach, ATP jest współsubstratem prawie dla każdej kinazy białkowej. W przemianie nukleotydylo-, pirofosforylo- i fosforylowej, ATP jest idealny do przejścia odpowiednio do klas α-, β- lub γ-fosforanów. Miejsce wiązania ATP jest zwykle zachowane, podczas gdy specyficzność substratowa kinaz jest różna.

Kinazy białkowe są klasyfikowane do podgrup, które mają specyficzność i zawierają kinazy tyrozynowe lub kinazy serynowo-treoninowe dla unikalnych domen katalitycznych. Kinazy serynowe/treoninowe stanowią około 80 procent kinomu ssaków, a pS i pT składają się na ponad 90 procent fosfoproteomu. Badania wykazały, że 1800:200:1 jest względnym stosunkiem obfitości pS:pT:pY w komórce. Chociaż pY może nie być tak rozpowszechniona jak pS i pT, ze względu na jej związek z chorobami człowieka poprzez dysregulację receptorowych kinaz tyrozynowych (RTK), globalna fosforylacja tyrozyny znajduje się na szczycie listy priorytetów nauk biomedycznych (Taylor & Kornev, 2011).

Swoistość substratu kinazy białkowej jest zależna nie tylko od pożądanego aminokwasu, ale także od konsensualnych sekwencji, które go otaczają. Te konsensualne sekwencje pozwalają na fosforylację jednego białka w niektórych kinazach i kilku fosforylowanych substratów (>300). W konsekwencji, kinazy mogą być również zdolne do fosforylacji pojedynczych białek pojedynczych lub wielu aminokwasów, gdzie specyficzne dla kinazy sekwencje konsensusowe są dostępne.

Kinazy mają podjednostki kontrolne, które służą jako domeny aktywujące lub autoinhibicyjne z różnymi substratami regulacyjnymi. Typowym podejściem do kontroli aktywności kinaz jest fosforylacja tych podjednostek. W stanie podstawowym większość kinaz białkowych jest niefosforylowana i nieaktywna. Ograniczona liczba ufosforylowanych kinaz jest konstytutywnie aktywna i z natury nieefektywna lub nieaktywna. W niektórych kinazach, w tym Src, fosforylacja i dephosforylacja muszą być mieszane, co wskazuje, że ten proto-onkogen jest wysoce regulowany. Zachowanie kinaz może być również regulowane przez rusztowania i białka adaptorowe poprzez kontrolowanie przestrzennych interakcji pomiędzy kinazami i regulatorami upstream i downstream.

Inkubacja immunoprecypitatu z substratami różnych kinaz i ATP pozwoli na zbadanie aktywności poszczególnych kinaz. Dla tej formy testu dostępne są komercyjne narzędzia, które są wyposażone tak, aby osiągnąć identyfikację kolorymetryczną, radiometryczną lub fluorometryczną. Chociaż ta forma testów pokazuje aktywność, w tym wzbogacenie kinaz, poszczególnych kinaz, nie zawierają one szczegółów dotyczących białek, które kinazy zmieniają lub działania endogennych fosfataz.

Kaskady transdukcji sygnału

Jak fosforylacja jest ważna w kaskadzie transdukcji sygnału?

Ta forma PTM jest odpowiednia do transdukcji sygnału ze względu na odwracalność fosforylacji białek, co oznacza, że komórki mogą łatwo dostosować się do bodźców wewnątrzkomórkowych lub zewnątrzkomórkowych. Kaskady transdukcji sygnału są wyróżniane przez jedno lub więcej białek, które wrażliwie oznaczają fizyczne czujniki albo przez wiązanie ligandu lub rozszczepienie, albo jakąś inną reakcję. Te receptory aktywują downstream w przypadku fosforylacji kinaz, a następnie fosforylują i aktywują swoje poznawcze substraty downstream, wraz z dalszymi kinazami, zanim zostanie osiągnięta dokładna odpowiedź. Kaskady transdukcji sygnału mogą być liniowe, gdzie kinaza A aktywuje kinazę B, a następnie kinazę C, i tak dalej. Zidentyfikowano również szlaki sygnałowe, które wzmacniają sygnał początkowy; kinazy A aktywują kilka kinaz, które ostatecznie stymulują dodatkowe kinazy. Dzięki takiemu sygnałowi pojedyncza cząsteczka może wywoływać globalne działania komórkowe, takie jak na przykład proliferacja.

Fosfatazy białkowe

Istnieją trzy szlaki regulujące szybkość i zakres sygnalizacji związanej z fosforylacją:

• Oddzielenie stymulującego liganda
• Proteoliza kinazy lub substratu
• Defosforylacja fosfatazy

Wiadomo, że ludzki proteom zawiera około fosfataz 150 białek, które są okazami reszt pS pT i pY. Chociaż celem końcowym obu grup fosfataz jest dephosphorylation, robią to za pomocą różnych ścieżek. Natychmiastowa hydroliza w grupie fosforowej atomu fosforu regulowana jest przez fosfatazy serynowo-treoninowe przez centra bimetaliczne, (Fe/Zn) i tyrozynę. Fosfatazy tworzą kowalencyjne pośrednictwo tiofosforylowe, które umożliwia eliminację reszt tyrozynowych.

Rodzaje fosforylacji

Kilka rodzajów cząsteczek może podlegać fosforylacji i deposforylacji. Trzy z najbardziej powszechnych form fosforylacji to:

1. Fosforylacja glukozy
2. Fosforylacja białek
3. Fosforylacja oksydacyjna

Fosforylacja glukozy

Fosforylacja glukozy ma miejsce, gdy początkowo glukoza jest fosforylowana z różnymi innymi cukrami w jej katabolizmie. Na przykład w glikolizie D-glukoza jest początkowo przekształcana do D-glukozo-6-fosforanu. Glukoza jest szybko przenikającą, małą cząsteczką. Mała natura glukozy ma tendencję do szybkiego przenikania do komórek.

Fosforylacja jest większym enzymem, który nie może szybko przeniknąć do tkanki. Fosforylacja jest również niezbędna do regulacji stężenia glukozy we krwi. W szczególności stężenie glukozy jest bezpośrednio związane z produkcją glikogenu. Fosforylacja glukozy jest również związana z rozwojem serca.

Fosforylacja białek

Fosforylacja białek zachodzi w miarę przyłączania aminokwasu do grupy fosforanowej. Zazwyczaj aminokwasem tym jest seryna, chociaż treonina i tyrozyna u eukariotów oraz histydyna u prokariotów są nadal spotykane z fosforylacją. Jest to reakcja estryfikacji, gdy jedna grupa fosforanowa oddziałuje z grupą hydroksylową (-OH) łańcucha bocznego seryny, treoniny lub tyrozyny. Aminokwas zostaje kowalencyjnie połączony z grupą fosforanową przez enzym kinazę białkową. Dokładny mechanizm różni się znacznie między prokariotami i eukariotami. Modyfikacje potranslacyjne (PTM), oznaczające, że białka są fosforylowane po przekształceniu ze wzoru RNA, wydają się być najlepiej zbadanym rodzajem fosforylacji. Fosfatazy białkowe katalizują dephosphorylację i reakcje odwrotne.

Fosforylacja DNA

Fosforylacja histonów może być uważana za ważny przykład fosforylacji białek. DNA jest sparowane z tworzącymi chromatynę białkami histonowymi u eukariotów. Fosforylacja histonów wpływa na strukturę chromatyny i zmienia relacje na linii DNA-białko i białko-białko. Zazwyczaj fosforylacja ma miejsce, gdy DNA ulega zniszczeniu, zapewniając nowe miejsca w poprzek uszkodzonego DNA tylko po to, aby techniki naprawcze mogły funkcjonować prawidłowo.

Fosforylacja białek odgrywa kluczową rolę w metabolizmie i szlakach sygnalizacyjnych, oprócz znaczenia w naprawie DNA.

Fosforylacja oksydacyjna

Uwalnianie i pochłanianie energii chemicznej przez komórkę odbywa się poprzez fosforylację oksydacyjną. Reakcje zachodzące w mitochondriach powstają w komórce eukariotycznej. Fosforylacja oksydacyjna zawiera interakcje w łańcuchu transportu elektronów i chemiosmozie. Podsumowując, przekazywanie elektronów w wyniku reakcji redoks z cząsteczek i białek przez łańcuch transportu elektronów do wewnętrznej błony mitochondriów, wytwarzając energię potrzebną do tworzenia adenozynotrójfosforanu (ATP) w chemiosmozie.

Podczas tego procesu NADH i FADH2 przekazują elektrony do łańcucha transportu elektronów. Elektrony przepływają od wyższej do niższej energii, gdy poruszają się w dół łańcucha i uwalniają energię po drodze. Aby wytworzyć gradient elektrochemiczny, duża część tej energii idzie na przemieszczanie jonów wodorowych (H+). Na końcu sieci elektrony są przekształcane w tlen, tworząc wodę poprzez oddziaływanie z jonami H+. Jony te dostarczają energię syntazie ATP do syntetyzatora ATP. Degradacja grupy fosforanowej wytwarza energię w sposób, który może być zużyty przez komórkę, ponieważ ATP jest deposforylowany.

Adenozyna może nie być jedyną zasadą przechodzącą fosforylację w celu wytworzenia AMP, ADP i ATP. Guanozyna, na przykład, może również rozwijać GMP, GDP i GTP.

Wykrywanie fosforylacji

Spektrometr masowy, elektroforeza i przeciwciała są używane do wykrywania fosforylacji cząsteczki. Jednak trudno jest rozpoznać i scharakteryzować miejsca fosforylacji. Znakowanie izotopowe jest również stosowane w połączeniu z fluorescencją, elektroforezą i testami immunologicznymi.

Biologiczne znaczenie fosforylacji

W transakcji energia organizmów żywych, niektóre organiczne fosforany, które rozwijają tkanki przez anaboliczne reakcje chemiczne, odgrywają główną rolę. W analizie Hardena i Younga, która wykazała, że fermentacja glukozy przez bezkomórkowy sok drożdżowy szybko poprawiła się, gdy nieorganiczny fosfor został zastosowany do mediów, a następnie przekształcony w organiczny fosforan, znaczenie organicznych fosforanów w metabolizmie zostało pokazane i wyniki zostały zgłoszone.

Fizjologiczne znaczenie fosforylacji

Protoplazma komórki jest zbudowana z kwasu fosforowego. Dlatego dla wszystkich komórek fosforylacja jest ważnym procesem chemicznym. Odgrywa ona również istotną funkcję podczas wchłaniania i metabolizowania wielu produktów spożywczych.

Jej wpływ na wiele szlaków metabolicznych opisano poniżej:

W odniesieniu do węglowodanów:

i. Fosforylacja jest korzystna dla wchłaniania węglowodanów przez błonę śluzową jelita, jak również dla reabsorpcji glukozy w nerkach. W każdym z tych nabłonków powstaje fosforan heksozy. Cząsteczka ta ulega deposforylacji, heksozy trafiają do krwiobiegu, a kwas fosforowy zostaje sam.

ii. Uważa się, że synteza glikogenu z glukozy i degradacja glikogenu do glukozy w wątrobie i mięśniach zachodzi podczas fosforylacji.

iii. Fosforylacja zwykle występuje na wszystkich etapach podczas przemian chemicznych po skurczu mięśnia. Na przemian zachodzi tu fosforylacja i deposforylacja. Różne związki fosforylowane rozkładają glikogen do kwasu mlekowego.

W odniesieniu do tłuszczów:

i. Neutralne tłuszcze i fosfolipidy powstają w nabłonku wchłaniającym głównie podczas trawienia tłuszczów. Fosforylacja jest tworzona przez enzym fosforylazę.

ii. Fosfolipidy, zwłaszcza lecytyna, są syntezą wątroby. Transport tłuszczu jest bardzo potrzebnym etapem. Służy on również jako główny etap, w którym kwasy tłuszczowe są bardziej utleniane. Utlenianie kwasu tłuszczowego jest funkcją mitochondrialną.

W odniesieniu do białek i witamin:

Produkcja wszystkich fosfoprotein, w tym nukleoprotein, kazeinogenów, itp. jest niezbędnym etapem.
Fosforylacja jest zatem prawdopodobnie odgrywają ważną funkcję w utlenianie tkanki, przez które białka, tłuszcze i węglowodany są ostatecznie rozkładane.
Jeśli chodzi o witaminę jest zaniepokojony. Niektóre grupy witaminy B zawierają związki, takie jak fosforan ryboflawiny, pirofosforan tiaminy, itp. W etapach utleniania i redukcji w komórkach przyjmuje się, że są one koenzymami.

Kontrola fosforylacji

Uważa się, że fosforylacja jest spowodowana w szczególności przez korę nadnerczy. Zahamowanie fosforylacji adrenalektomii jest przyspieszone przez glikokortykoidy.

Przednia przysadka może zapewnić zaawansowaną regulację fosforylacji przez korę nadnerczy poprzez jej hormon adrenokortykotropowy. Późniejsze zaburzenie fosforylacji, które wpływa na wchłanianie, metabolizm i odżywianie organizmu, może częściowo wyjaśnić stan marazmu w chorobach kory nadnerczy.

.