Fosforilação

Fosforilação
n.
br>Definição: A transferência de um grupo fosforilo para uma molécula

Definição de fosforilação

Podemos definir a fosforilação como um processo bioquímico em que uma molécula de fosfato é adicionada a algum composto orgânico, tal como glicose e difosfato de adenosina (ADP). Neste último exemplo, a adição do grupo fosfato converte o ADP em trifosfato de adenosina (ATP), que é um composto muito importante que é utilizado para fornecer energia para realizar vários processos em células vivas, tais como a propagação do impulso nervoso e a contracção muscular.

a. O que é a fosforilação?

p> A resposta simples é que é a adição de uma molécula de fosfato a algum composto orgânico.

b. O que significa fosforilação?

Fosforilação pode ser considerada como uma das reacções bioquímicas vitais em que moléculas de fosfato são adicionadas a algum composto orgânico para o tornar utilizável para várias funções num ser vivo. Outra palavra relacionada é “fosforilato”, que também significa a introdução de um grupo fosforil num composto orgânico.

c. Reacção de fosforilação em biologia

Reacção de fosforilação é de particular importância em biologia porque vários processos biológicos dependem desta reacção, tais como apoptose, inflamação, regulação do metabolismo, tráfico subcelular, e proliferação. Em biologia, a fosforilação é a transferência de moléculas de fosfato para uma proteína. Esta transferência prepara as proteínas para tarefas especializadas num ser vivo.

d. Onde ocorre a fosforilação?

A fosforilação em mamíferos ocorre em cadeias laterais de três aminoácidos: (1) tirosina (um aminoácido produzido no corpo de organismos vivos a partir de outro aminoácido, “fenilalanina”), (2) serina, e (3) treonina. Contudo, alguns estudos descobriram também que a histidina fosforilação também está presente.

e. Que aminoácidos podem ser fosforilados?

Os aminoácidos que podem ser fosforilados são tirosina, serina, e treonina.

f. Que tipo de enzima adiciona um grupo fosfato a outra molécula?

Fosforilação é uma reacção reversível; significa que uma molécula de fosfato pode ser adicionada e removida. As enzimas responsáveis pela adição de grupos de fosfato às proteínas são conhecidas como “kinases”. As envolvidas na remoção destes grupos de fosfatos são chamadas “fosfatases”.

Fins da Fosforilação

A questão que se coloca aqui é qual é o objectivo da fosforilação? A fosforilação está envolvida em muitos processos biológicos vitais. Está envolvida na regulação das funções proteicas e na transmissão de sinais nas células. Está também envolvida no crescimento celular, transdução de sinal, desenvolvimento celular, síntese proteica, e divisão celular.

Fosforilação é uma reacção reversível. A maioria das enzimas e receptores são activados e desactivados pela fosforilação e desfosforilação (oposto do processo de fosforilação), respectivamente. A fosforilação das enzimas serve como um tipo de interruptor on/off, alterando assim a actividade ou função específica.

A própria molécula de fosfato é um elemento muito importante das biomoléculas. Os investigadores descobriram que um grande número de metabolitos (um produto intermediário ou produto final do metabolismo) sofre fosforilação resultando na formação de fosfatos correspondentes nas células.

Inicialmente, dois cientistas Thomas Rall e Earl Sutherland estavam a trabalhar em investigação orientada para a relação entre glucagon e epinefrina com a enzima, glicogénio fosforilase presente no fígado. Verificaram que as referidas hormonas estavam envolvidas na produção de adenosina monofosfato 3,5-cíclica adenosina. Descobriu-se que este químico funcionava dentro de uma célula para implementar alterações na actividade da fosforilase. Assim, a adenosina monofosfato 3,5-cíclica é um químico que é utilizado como mensageiro de sinais hormonais específicos.

As actividades proteicas são controladas pela fosforilação da tirosina. A tirosina é um aminoácido produzido pelo nosso corpo a partir de outro aminoácido conhecido como fenilalanina. A fosforilação do controlo da tirosina induz alterações no substrato que estão envolvidas na actividade enzimática. Alguns outros objectivos da fosforilação incluem (Ardito et al.., 2017):

• Degradação de proteínas
• Regulação da inibição enzimática
• Função na glicólise
• Sinalização entre proteínas
• Regula as reacções químicas consumidoras de energia.
• Mecanismo de fosforilação

Fosforilação de proteínas ocorre na cadeia lateral de três aminoácidos distintos, nomeadamente serina, treonina, e tirosina, que são reversivelmente fosforilados em células eucarióticas.

O que acontece a uma molécula quando é fosforilada? O que faz a fosforilação a uma molécula?

Nestes aminoácidos, o grupo nucleofílico (-OH) é direccionado para o grupo do fosfato terminal. O grupo nucleofílico (-OH) nestes aminoácidos visa o grupo terminal de fosfato (γ-PO32-) e é movido para a cadeia lateral de aminoácidos a partir do grupo fosfato pelo grupo adenosina trifosfato padrão doador de fósforo (ATP), também conhecido como fosforilação ATP. O magnésio (Mg2+) promove esta transição, que baixa o limiar de transmissão do fosforilo através do grupo nucleofílico (-OH) nos grupos γ- e ß-fosfato. Esta reacção de fosforilação é num sentido devido à vasta quantidade de energia livre produzida quando o ATP é perturbado para gerar difosfato de adenosina (ADP) na ligação fosfato-fosfato (Silversmith, Appleby, Bourret, 1997).

Porque é que as proteínas são fosforiladas e quais os papéis que a fosforilação pode desempenhar na função proteica?

Fosforilação está intimamente ligada à actividade proteica e é um ponto crucial na regulação da função proteica através de uma grande variedade de proteínas. A fosforilação governa a função da proteína e a sinalização celular induzindo alterações conformacionais na proteína fosforilada. Todas estas modificações através da fosforilação de uma proteína têm um efeito sobre a proteína de duas maneiras. Em primeiro lugar, a actividade catalítica da proteína é monitorizada por alterações conformacionais. Assim, a fosforilação pode activar ou desactivar uma proteína.

Segundamente, as proteínas fosforiladas estão a recrutar proteínas circundantes que têm domínios estruturalmente retidos, que identificam e ligam com os fosfomotifs. Estes domínios distinguem-se por aminoácidos únicos. Por exemplo, o domínio Src homology2 (SH2), e o domínio PTB (phosphotyrosine-binding) demonstram a especificidade da fosfotirosina (pY), embora as diferenças entre estes dois tipos sejam específicas das diferentes espécies de fosfotirosina.

Domínios de reconhecimento da fosfotirosina (pS) compreendem tanto o domínio MH2 como o domínio WW, enquanto que a fosfotireonina (fosforilato-tronina) (pT) é identificada pelos domínios FHA associados à forquilha.

Para a transdução de sinal, a capacidade das fosfoproteínas para recrutar outras proteínas, nas quais a proteína do sinal fosforilado, é recrutada a jusante.

As modificações reversíveis pós-tradução (PTM) é considerada como fosforilação de proteína, que é regulada por kinases para fosforilato e fosfatases para desfosforilato de substratos. Ambas as classes enzimáticas promovem o comportamento da dinâmica da proteína fosforilada numa célula. De facto, numa única célula, a magnitude do fosfótomo dependeria do equilíbrio espacial e temporal entre as concentrações de cinase e fosfatase dentro da célula e o desempenho catalítico numa determinada posição.

Protein kinases

Kinases são enzimas que promovem a transição do fosfato para substratos. O proteoma humano já previu mais de 500 kinases. O kinoma humano contém este subconjunto de proteínas. Os substratos de actividade cinase são complexos e consistem em lípidos, açúcares, nucleótidos e proteínas.

Enquanto que o trifosfato de guanosina é utilizado em algumas quinases, o ATP é o co-substrato quase para cada proteína cinase. Para a conversão de nucleótidos, pirofosforilo e fósforo, ATP é perfeito para a transição de α-, β- ou γ- classes de fosfato, respectivamente. O site de ligação ATP é geralmente mantido enquanto que a especificidade do substrato de quinases difere.

As quinases proteicas são classificadas em subgrupos que têm especificidade e contêm quinases de tirosina ou quinases de serina/treonina para domínios catalíticos únicos. As quinases de serina/trêsonina constituem aproximadamente 80% do cinoma dos mamíferos, e pS e pT são compostos por mais de 90% do fosfoproteoma. A investigação indicou que 1800:200:1 é a razão de abundância relativa de pS:pT:pY numa célula. Embora o pY possa não estar tão difundido como o pS e pT, devido à sua ligação a doenças humanas através da desregulação das tirosinases receptoras (RTKs), a fosforilação global de tirosina está no topo da lista de prioridades da ciência biomédica (Taylor & Kornev, 2011).

A especificidade do substrato da proteína cinase depende não só do aminoácido desejado mas também das sequências consensuais que o rodeiam. Estas sequências consensuais permitem a fosforilação de uma única proteína em certas kinases e vários substratos fosforados (>300). Consequentemente, as kinases podem também ser capazes de fosforilatar proteínas individuais únicas ou muitos aminoácidos onde as sequências consensuais específicas de kinases são acessíveis.

As kinases têm subunidades de controlo que servem como domínios activadores ou auto-inibidores com diferentes substratos reguladores. Uma abordagem típica para controlar a actividade cinase é a fosforilação destas subunidades. No estado basal, a maioria das quinases proteicas são desfosforiladas e inactivas. Um número limitado de quinases fosforiladas são constitutivamente activas e inerentemente ineficientes ou inactivas. Em certas quinases, incluindo a Src, a fosforilação, e a desfosforilação têm de ser misturadas, mostrando que este proto-oncogene é altamente regulado. O comportamento da cinase também pode ser regulado por andaimes e proteínas adaptadoras, controlando a interacção espacial entre as kinases e os reguladores a montante e a jusante.

Incubar imunoprecipitado com substratos de várias kinases e ATP irá testar a actividade de determinadas kinases. Para esta forma de ensaio, estão disponíveis ferramentas comerciais e estão equipadas para alcançar a identificação colorimétrica, radiométrica, ou fluorométrica. Embora esta forma de ensaio mostre a actividade, incluindo o enriquecimento de cinase, de determinadas quinases, não inclui detalhes sobre as proteínas que as quinases alteram ou a acção da actividade endógena da fosfatase.

Cascatas de transdução de sinal

Como é importante a fosforilação numa cascata de transdução de sinal?

Esta forma de PTM é adequada para a transdução de sinal devido à reversibilidade da fosforilação proteica, o que significa que as células podem facilmente adaptar-se a estímulos intracelulares ou extracelulares. As cascatas de transdução de sinal do sinal distinguem-se por uma ou mais proteínas que significam sensivelmente os sensores físicos através da ligação de um ligando ou clivagem ou alguma outra reacção. Estes receptores activam-se a jusante no caso de fosforilação de kinases, e depois fosforilato e activam os seus substratos cognatos a jusante, juntamente com outras kinases, antes de se atingir a resposta precisa. As cascatas de transdução de sinal podem ser lineares, onde a cinase A activa B e subsequentemente a cinase C, e assim por diante. Foram também identificadas vias de sinalização que melhoram o sinal inicial; as kinases A activam várias kinases, o que acaba por estimular kinases extra. Uma única molécula pode causar actividades celulares globais como a proliferação, por exemplo, com este tipo de sinal.

Fosfatases proteicas

Existem três vias que regulam a taxa e a extensão da sinalização relacionada com a fosforilação:

• Separação do ligando estimulante
• Proteólise da cinase ou substrato
• Desfosforilação da fosfatase

Sabe-se que o proteoma humano inclui cerca de 150 proteínas de fosfatases que são de pS pT e de resíduos de pY. Embora o alvo final de ambos os grupos de fosfátase seja a desfosforilação, estão a fazê-lo por meio de diferentes vias. A hidrólise imediata no grupo do fósforo do átomo de fósforo é regulada pelas fosfatases serina/trêsonina por centros bimetálicos, (Fe/Zn) e pela tirosina. As fosfatases desenvolvem um intermediário tiofosforilo covalente que permite a eliminação dos resíduos de tirosina.

Tipos de Fosforilação

Tipos de moléculas podem ser sujeitos a fosforilação e desfosforilação. Três das formas mais comuns de fosforilação são:

1. Fosforilação de glucose
2. Fosforilação de proteínas
3. Fosforilação oxidativa

Fosforilação de glucose

Fosforilação de glucose tem lugar quando inicialmente a glucose é fosforilada com vários outros açúcares no seu catabolismo. Na glicólise, por exemplo, a D-glucose é inicialmente convertida em D-glucose-6-fosfato. A glicose é uma pequena molécula rapidamente permeável. A natureza minúscula da glucose tende a penetrar rapidamente nas células.

Fosforilação é uma enzima maior que não consegue penetrar rapidamente no tecido. A fosforilação é também essencial para a regulação das concentrações de glicose no sangue. A concentração de glicose, em particular, está directamente ligada à produção de glicogénio. A fosforilação da glicose está também associada ao desenvolvimento cardíaco.

Fosforilação de proteínas

Fosforilação de proteínas ocorre à medida que o aminoácido é ligado ao grupo fosforilato. Tipicamente o aminoácido é serina, embora a treonina e a tirosina em eucariotas e a histidina em procariotas ainda sejam encontradas com fosforilação. Isto é considerado uma reacção de esterificação quando um grupo de fosfato interage com o grupo hidroxil (-OH) de uma cadeia lateral de serina, treonina, ou tirosina. O aminoácido é ligado covalentemente com o grupo fosfato através da enzima proteína quinase. O mecanismo exacto varia consideravelmente entre prokariotas e eucariotas. Modificações pós-tradução (PTM), indicando que as proteínas são fosforiladas após a conversão do padrão de RNA, parece ser o tipo de fosforilação mais bem estudado. As fosfatases proteicas catalisaram a desfosforilação e reacções inversas.

Fosforilação de ADN

A fosforilação de histonas pode ser considerada como um exemplo importante de fosforilação proteica. O ADN é emparelhado com proteínas de histona formadoras de cromatina em eucariotas. A fosforilação de histona afecta a estrutura da cromatina e altera as relações entre o ADN-proteína e proteína-proteína. Tipicamente, a fosforilação ocorre quando o ADN é destruído, fornecendo novos locais através do ADN danificado apenas para que as técnicas de reparação possam funcionar correctamente.

Fosforilação de proteína desempenha um papel crucial no metabolismo e vias de sinalização, para além do seu significado na reparação do ADN.

Fosforilação oxidativa

A energia química libertada e absorvida por uma célula é realizada através da fosforilação oxidativa. As reacções dentro das mitocôndrias surgem na célula eucariótica. A fosforilação oxidativa contém interacções na cadeia de transporte dos electrões e na quimiossimose. Em conclusão, a transmissão de electrões por reacção redox de moléculas e proteínas através da cadeia de transporte de electrões para a membrana interna das mitocôndrias, produzindo a energia necessária para criar trifosfato de adenosina (ATP) na quimiocondria.

Durante este processo, NADH e FADH2 transmitem electrões para a cadeia de transporte de electrões. Os electrões fluem de energia mais alta para mais baixa à medida que se deslocam pela cadeia e libertam energia ao longo do caminho. Para desenvolver um gradiente electroquímico, grande parte desta energia vai para os iões de hidrogénio em movimento (H+). No fim da rede, os electrões são convertidos em oxigénio, criando água através da interacção com os iões H+. Estes iões fornecem energia de síntese ATP para o sintetizador ATP. A degradação do grupo fosfato produz energia de uma forma que pode ser consumida pela célula, uma vez que o ATP é desfosforado.

Adenosina pode não ser a única base submetida a fosforilação para produzir AMP, ADP, e ATP. A guanosina, por exemplo, pode também desenvolver GMP, GDP, e GTP.

Detecção da Fosforilação

O espectrómetro de massa, electroforese, e anticorpos são utilizados para detectar a fosforilação de uma molécula. No entanto, é difícil reconhecer e caracterizar os sítios de fosforilação. A marcação isotópica é também utilizada em combinação com fluorescência, electroforese, e imunoensaios.

Importância Biológica da Fosforilação

Na energia de transacção dos organismos vivos, alguns fosfatos orgânicos, que desenvolvem tecidos por reacções químicas anabolizantes, desempenham um papel importante. Na análise de Harden e Young, que mostrou que a fermentação da glucose por sumo de levedura sem células melhorou rapidamente quando o fósforo inorgânico foi aplicado nos meios de comunicação, e subsequentemente transformado em fosfato orgânico, a importância dos fosfatos orgânicos no metabolismo foi demonstrada e os resultados foram relatados.

Importância fisiológica da fosforilação

O protoplasma celular é construído a partir de ácido fosfórico. Para todas as células, portanto, a fosforilação é um processo químico importante. Também desempenha uma função vital na absorção e metabolização de múltiplos produtos alimentares.

A influência da fosforilação nas múltiplas vias metabólicas é descrita abaixo:

Em relação aos hidratos de carbono:

i. A fosforilação é benéfica para a absorção de hidratos de carbono pela mucosa intestinal, bem como para a reabsorção da glicose renal. Em cada um destes epiteliais, é criado fosfato hexose. Esta molécula adopta a desfosforilação, as hexoses atingem a corrente sanguínea, e o ácido fosfórico é deixado sozinho.

ii. Pensa-se que a síntese de glicose e a degradação do glicogénio em glicose no fígado e nos músculos ocorre durante a fosforilação.

iii. A fosforilação ocorre geralmente ao longo de todas as fases durante as alterações químicas após a contracção muscular. A fosforilação e a desfosforilação ocorrem alternadamente aqui. Uma variedade de compostos fosforilados decompõem o glicogénio em ácido láctico.

Em relação às gorduras:

i. As gorduras neutras e os fosfolípidos são produzidos no epitélio absorvente, principalmente durante a digestão das gorduras. A fosforilase é formada pela enzima fosforilase.

ii. Os fosfolípidos, especialmente a lecitina, são a síntese do fígado. O transporte de gordura é um passo muito necessário. Também serve como etapa principal quando os ácidos gordos são mais oxidados. A oxidação do ácido gordo é uma função mitocondrial.

Em Relação a Proteínas e Vitaminas:

A produção de todas as fosfoproteínas, incluindo as nucleoproteínas, caseinogénicos, etc. é um passo essencial.
A fosforilação desempenha, portanto, provavelmente uma função importante na oxidação dos tecidos através da qual proteínas, gorduras e hidratos de carbono acabam por se decompor.
No que diz respeito à vitamina. Alguns grupos de vitamina B contêm compostos tais como riboflavina fosfato, tiamina pirofosfato, etc. Nas fases de oxidação e redução nas células, assume-se que são coenzimas.

Controlo da Fosforilação

Pensa-se que a fosforilação se deve especificamente ao córtex adrenal. A inibição da adrenalectomia da fosforilação é acelerada pelos glucocorticoides.

A pituitária anterior pode proporcionar uma regulação avançada da fosforilação pelo córtex adrenal através da sua hormona adrenocorticotrópica. Uma subsequente perturbação da fosforilação, que afecta a absorção, metabolismo e nutrição corporal, pode explicar parcialmente o estado marástico das doenças do córtex adrenal.