Дефосфорилирование
В биохимии дефосфорилирование - это удаление фосфата ( PO 3–4 гидролиза ) Группа из органического соединения помощью с . Это обратимая посттрансляционная модификация . Дефосфорилирование и его аналог, фосфорилирование , активируют и деактивируют ферменты , отсоединяя или прикрепляя фосфорические эфиры и ангидриды . Примечательным появлением дефосфорилирования является преобразование АТФ в ADP и неорганический фосфат.
Дефосфорилирование использует тип гидролитического фермента или гидролазы , которая расщепляет эфирные связи. Видным подклассом гидролазы, используемым в дефосфорилировании, представляет собой фосфатаза , которая удаляет фосфатные группы путем гидролизующих моноэфиров фосфорной кислоты в ион фосфата и молекулу со свободной гидроксильной (-OH) группой.
Реакция обратимого фосфорилирования-дефосфорилирования возникает в каждом физиологическом процессе, что делает правильную функцию белковых фосфатаз, необходимых для жизнеспособности организма. Потому что дефосфорилирование белка является ключевым процессом, связанным с передачей сигналов клеток , [ 1 ] Протеинфосфатазы участвуют в таких состояниях, как сердечные заболевания, диабет и болезнь Альцгеймера. [ 2 ]
История
[ редактировать ]Открытие дефосфорилирования было получено из серии экспериментов, изучающих фермент фосфорилазу, выделенную из скелетных мышц кролика. В 1955 году Эдвин Кребс и Эдмонд Фишер использовали радиоактивно меченный АТФ, чтобы определить, что фосфат добавляется в сериновый остаток фосфорилазы для преобразования его из B в форму посредством фосфорилирования. [ 3 ] Впоследствии Кребс и Фишер показали, что это фосфорилирование является частью киназного каскада. Наконец, после очистки фосфорилированной формы фермента, фосфорилазы А , из печени кролика, ионообменная хроматография использовали для идентификации фосфопротеин фосфатазы I и II. [ 4 ]
С момента открытия этих дефосфорилирующих белков обратимая природа фосфорилирования и дефосфорилирования была связана с широким спектром функциональных белков, в первую очередь ферментативными, но также включая неферментативные белки. [ 5 ] Эдвин Кребс и Эдмонд Фишер получили Нобелевскую премию 1992 года по физиологии или медицине за открытие обратимого фосфорилирования белка. [ 6 ]
Функция
[ редактировать ]
Фосфорилирование и дефосфорилирование гидроксильных групп, принадлежащих к нейтральным, но полярным аминокислотам, таким как серин, треонин и тирозин в специфических целевых белках, являются фундаментальной частью регуляции каждого физиологического процесса. Фосфорилирование включает ковалентную модификацию гидроксила с фосфатной группой посредством нуклеофильной атаки альфа -фосфата в АТФ с помощью кислорода в гидроксиле. Дефосфорилирование включает в себя удаление фосфатной группы посредством реакции гидратации путем добавления молекулы воды и высвобождения исходной фосфатной группы, регенерируя гидроксил. Оба процесса являются обратимыми, и либо механизм может быть использован для активации или деактивации белка. Фосфорилирование белка вызывает много биохимических эффектов, таких как изменение его конформации, чтобы изменить его связывание с конкретным лигандом, чтобы увеличить или уменьшить его активность. Фосфорилирование и дефосфорилирование могут использоваться на всех типах субстратов, таких как структурные белки, ферменты, мембранные каналы, сигнальные молекулы и другие киназы и фосфатазы. Сумма этих процессов называется фосфорегуляцией. [ 8 ] Дерегуляция фосфорилирования может привести к болезням. [ 9 ]
Посттрансляционная модификация
[ редактировать ]Во время синтеза белков полипептидные цепи, которые создаются рибосомами, транслирующими мРНК, должны обрабатываться до того, как предположить зрелую конформацию. Дефосфорилирование белков является механизмом модификации поведения белка, часто путем активации или инактивации фермента . Компоненты аппарата синтеза белка также подвергаются фосфорилированию и дефосфорилированию и, таким образом, регулируют скорости синтеза белка. [ 10 ]
В рамках посттрансляционных модификаций фосфатные группы могут быть удалены из серина, треонина или тирозина. Таким образом, пути внутриклеточной сигнальной трансдукции зависят от последовательного фосфорилирования и дефосфорилирования широкого спектра белков.
АТП
[ редактировать ]- АТП 4− + H 2 o ⟶ ADP 3− + Hpo 2–4 + h +
Аденозин трифосфат , или АТФ, действует как «валюта» свободной энергии во всех живых организмах. В спонтанной реакции дефосфорилирования выделяется 30,5 кДж/моль, которая используется для управления клеточными реакциями. В целом, несбоновные реакции, связанные с дефосфорилированием АТФ, являются спонтанными из -за отрицательного изменения свободной энергии связанной реакции. Это важно для движения окислительного фосфорилирования. АТФ дефосфорилируется до ADP и неорганического фосфата. [ 11 ]
На клеточном уровне дефосфорилирование АТФаз определяет поток ионов в клетку и за ее пределами. Ингибиторы протонного насоса представляют собой класс препарата, который действует непосредственно на АТФазах желудочно -кишечного тракта.
Другие реакции
[ редактировать ]Другие молекулы, кроме АТФ, подвергаются дефосфорилированию как часть других биологических систем. Различные соединения создают различные изменения свободной энергии в результате дефосфорилирования. [ 11 ]
Молекула Изменение свободной энергии Ацетилфосфат 47,3 кДж / раз Глюкоза-6-фосфат 13,8 кДж / раз Фосфоенолпируват (PEP) -61,9 кДж / раз Фосфокреат 43,1 кДж / раз
Psilocybin также полагается на дефосфорилирование, которое метаболизируется в псилоцин, и дополнительно устранение. В настоящее время не доступна информация о влиянии псилоцибина на изменение свободной энергии.
Фотосистема II
[ редактировать ]Первый белковый комплекс фотосинтеза компонента , зависящих от светозависимых реакций, называется фотосистемой II . Комплекс использует фермент для захвата фотонов света, обеспечивая больший процесс фотосинтеза со всеми электронами, необходимыми для получения АТФ. Фотосистема II особенно чувствительна к температуре, [ 12 ] и десфосфорилирование было вовлечено в качестве водителя пластичности в реагировании на различную температуру. Ускоренное дефосфорилирование белка в фотосинтетических тилакоидных мембранах происходит при повышенных температурах, непосредственно влияя на десфосфорилирование ключевых белков в комплексе фотосистемы II. [ 13 ]
Патология
[ редактировать ]Чрезмерное дефосфорилирование мембранных АТФаз и протонных насосов в желудочно -кишечном тракте приводит к более высоким секреторным скоростям каустических пепкотистов. Это приводит к изжоги и пищевода. В сочетании с инфекцией Helicobacter pylori болезнь язвенной болезни вызвана повышенным дефосфорилированием pH. [ 14 ]
, ассоциированный с микротрубочками, Протеин аномально гиперфосфорилируется при изолировании от мозга пациентов, страдающих от болезни Альцгеймера . Это связано с дисфункцией механизмов дефосфорилирования у специфических аминокислот на белке тау. Дефосфорилирование тау катализируется белковой фосфатазой-2а и фосфатазой-2B. Дефицит или модификация одного или обоих белков могут быть вовлечены в аномальное фосфорилирование тау при болезни Альцгеймера [ 15 ]
Дефосфорилирование также было связано с сердечными заболеваниями , в частности, изменение взаимодействий актин-миозина, которые являются ключевыми для обеспечения основной силы сердцебиения. Дефосфорилирование является ключевой частью кинетики миозина, которая непосредственно контролирует взаимодействие актино-иозин. Когда процесс дефосфорилирования прерывается, кальций -зависимое сокращение сердца нарушено или полностью отключено. [ 16 ]
Исследования также предположили, что модификации дефосфорилирования влияют на физиологические процессы, участвующие в сахарном диабете . Кинетика дефосфорилирования субстрата-1/2, AKT и ERK1/2, фосфопротеины, фосфопротеины, участвуют в передаче сигналов рецептора инсулина, а in vitro демонстрируют, что изменения в кинетике дефосфорилирования влияют на стимуляцию инсулина. модели [ 17 ]
Уход
[ редактировать ]Ингибирование протонных насосов [ 14 ] Значительно снижает кислотность желудочно-кишечного тракта, уменьшая симптомы связанных с кислотой заболеваний. Полученное изменение в рН снижает выживаемость бактерий H.Pylori , основной причины язвенной болезни. После того, как ингибитор протонного насоса уничтожает эти бактерии в кишечнике, изменяя эрозивный рефлюкс. Лечение сердечно -сосудистых заболеваний улучшилось с использованием лекарств, которые ингибируют AMPK посредством дефосфорилирования. [ 18 ] При лечении диабета лекарственные средства сульфонилумолеки способны стимулировать дефосфорилирование переносчика глюкозы GLUT4 , снижая резистентность к инсулину и увеличение и утилизацию глюкозы. [ 19 ]
Исследовательские приложения
[ редактировать ]Дефосфорилирование может играть ключевую роль в молекулярной биологии, в частности, клонирования с использованием рестрикционных ферментов . Разрез вектора могут повторно сжиматься во время стадии лигирования из-за фосфорилирования. Используя десфосфорилирующую фосфатазу, можно избежать повторного списа. [ 20 ] Единофосфатазы , которые удаляют фосфатную группу, присутствующую на 5' -конце молекулы ДНК, часто поставляются естественным образом, чаще всего из кишечника и кишечника и сокращаются как CIP . [ 21 ]
Основные эволюционные силы
[ редактировать ]
Естественная сила отбора для дефосфорилирования менее понятна. Недавнее исследование показало, что IRF9, который взят из семейства интерферонов-регуляторных факторов (IRFS), критического семейства антивирусного иммунного ответа, может влиять естественный отбор во время эволюции видов человека. [ 22 ] Положительный отбор был обнаружен на сайте аминокислот Val129 (NP_006075.3: P.Ser129Val) человека IRF9. Состояние наследственного происхождения (SER129) сохраняется среди млекопитающих, в то время как новое состояние (Val129) было зафиксировано до того, как событие «вне африки» ~ 500 000 лет назад. Эта молодая аминокислота (Val129) может служить в качестве места дефосфорилирования IRF9. Дефосфорилирование может влиять на иммунную активность IRF9. [ 22 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ardito F, Giuliani M, Perrone D, Troiano G, Lo Muzio L (август 2017 г.). «Решающая роль фосфорилирования белка в клеточной передаче сигналов и его использование в качестве целевой терапии (обзор)» . Международный журнал молекулярной медицины . 40 (2): 271–280. doi : 10.3892/ijmm.2017.3036 . PMC 5500920 . PMID 28656226 .
- ^ Den Hertog J (ноябрь 2003 г.). «Регуляция белковых фосфатаз при заболевании и поведении» . Embo сообщает . 4 (11): 1027–1032. doi : 10.1038/sj.embor.7400009 . PMC 1326379 . PMID 14578923 .
- ^ Фишер Э.Х., Кребс Эг (сентябрь 1955 г.). «Преобразование фосфорилазы B в фосфорилазу А в мышечных экстрактах» . Журнал биологической химии . 216 (1): 121–132. doi : 10.1016/s0021-9258 (19) 52289-х . PMID 13252012 .
- ^ Khandelwal RL, Vandenheede JR, Krebs EG (август 1976 г.). «Очистка, свойства и субстратная специфичность фосфопротеинфосфатазы (ы) из печени кролика» . Журнал биологической химии . 251 (16): 4850–4858. doi : 10.1016/s0021-9258 (17) 33194-0 . PMID 8449 .
- ^ Кребс Э.Г., Биво Д.А. (1979). «Фосфорилирование-дефосфорилирование ферментов». Ежегодный обзор биохимии . 48 : 923–959. doi : 10.1146/annurev.bi.48.070179.004423 . PMID 38740 .
- ^ Раджу Т.Н. (июнь 2000 г.). «Нобелевские хроники. 1992: Эдмонд Х Фишер (р 1920) и Эдвин Дж Кребс (б 1918)». Лансет . 355 (9219): 2004. DOI : 10.1016/S0140-6736 (05) 72951-2 . PMID 10859071 . S2CID 54322974 .
- ^ PDB : 1d5r ; Ли Джо, Ян Х., Джордеску М.М., Ди Кристофано А., Маехама Т., Ши Й. и др. (Октябрь 1999). «Кристаллическая структура супрессора опухоли PTEN: последствия для его активности фосфоинозитидфосфатазы и мембранной ассоциации» . Клетка . 99 (3): 323–334. doi : 10.1016/s0092-8674 (00) 81663-3 . PMID 10555148 .
- ^ Beltrao P, Trinidad JC, Fiedler D, Roguev A, Lim WA, Shokat KM, et al. (Июнь 2009 г.). «Эволюция фосфорегуляции: сравнение моделей фосфорилирования среди видов дрожжей» . PLOS Биология . 7 (6): E1000134. doi : 10.1371/journal.pbio.1000134 . PMC 2691599 . PMID 19547744 .
- ^ Bononi A, Agnoletto C, De Marchi E, Marchi S, Patergnani S, Bonora M, et al. (2011). «Протеинкиназы и фосфатазы в контроле клеточной судьбы» . Исследование ферментов . 2011 : 329098. DOI : 10.4061/2011/329098 . PMC 3166778 . PMID 21904669 .
- ^ Celis JE, Madsen P, Ryazanov AG (июнь 1990 г.). «Повышенное фосфорилирование фактора удлинения 2 во время митоза в трансформированных амнионных клетках человека коррелирует с снижением скорости синтеза белка» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 87 (11): 4231–4235. Bibcode : 1990pnas ... 87.4231c . doi : 10.1073/pnas.87.11.4231 . PMC 54082 . PMID 2349232 .
- ^ Jump up to: а беременный Caside R, Herman C, Frey R (5 сентября 2008 г.). «Энергия для организма: окислительное фосфорилирование» . Кафедра химии, Вашингтонский университет . Получено 5 апреля 2013 года .
- ^ Ямаучи, Ясуо (29 июля 2011 г.). «Растения переключают фотосистему при высокой температуре для защиты фотосистемы II» . Природа предшествует . doi : 10.1038/npre.2011.6168.1 .
- ^ Rokka A, Aro EM, Herrmann RG, Andersson B, Vener AV (август 2000 г.). «Дефосфорилирование белков реакционного центра фотосистемы II в фотосинтетических мембранах растений как непосредственный ответ на резкое повышение температуры» . Физиология растений . 123 (4): 1525–1536. doi : 10.1104/pp.123.4.1525 . PMC 59108 . PMID 10938368 .
- ^ Jump up to: а беременный Робинсон М (июнь 2005 г.). «Ингибиторы протонного насоса: обновите их роль в связанных с кислотой желудочно-кишечными заболеваниями» . Международный журнал клинической практики . 59 (6): 709–715. doi : 10.1111/j.1368-5031.2005.00517.x . PMID 15924600 . S2CID 41914054 .
- ^ Gong CX, Grundke-IQBAL I, IQBAL K (август 1994 г.). «Дефосфорилирование болезни Альцгеймера аномально фосфорилированное тау с помощью белкопофосфатазы-2А». Нейробиология . 61 (4): 765–772. doi : 10.1016/0306-4522 (94) 90400-6 . PMID 7838376 . S2CID 39662308 .
- ^ Шейх Ф., Оуян К., Кэмпбелл С.Г., Лион Р.К., Чуан Дж., Фитцсимонс Д. и др. (Апрель 2012 г.). «Мышиные и вычислительные модели связывают дефосфорилирование MLC2V с измененной кинетикой миозина при ранней болезни сердца» . Журнал клинических исследований . 122 (4): 1209–1221. doi : 10.1172/jci61134 . PMC 3314469 . PMID 22426213 .
- ^ Zhande R, Zhang W, Zheng Y, Pendleton E, Li Y, Polakiewicz Rd, Sun XJ (декабрь 2006 г.). «Дефосфорилирование по умолчанию, потенциальный механизм регуляции субстрата-1/2, AKT и ERK1/2 рецептора инсулинового рецептора, AKT и ERK1/2 . Журнал биологической химии . 281 (51): 39071–39080. doi : 10.1074/jbc.m605251200 . PMID 17068339 .
- ^ Хатчинсон Д.С., Саммерс Р.Дж., Бенгтссон Т (сентябрь 2008 г.). «Регуляция AMP-активированной активности протеинкиназы с помощью G-белоно-связанных рецепторов: потенциальная полезность при лечении диабета и заболеваний сердца». Фармакология и терапия . 119 (3): 291–310. doi : 10.1016/j.pharmthera.2008.05.008 . PMID 18606183 .
- ^ Müller G, Wied S (декабрь 1993 г.). «Сульфонилмочевичная препарат, глимепирид, стимулирует транспорт глюкозы, транслокацию переносчика глюкозы и дефосфорилирование в инсулинорезистентных адипоцитах крыс in vitro» (PDF) . Диабет . 42 (12): 1852–1867. doi : 10.2337/диабет.42.12.1852 . PMID 8243832 .
- ^ Sambrook J, Fritch EF, Maniatis T (1989). Молекулярное клонирование: лабораторное руководство (2 -е изд.). Cold Spring Harbor Laboratory Press.
- ^ Makovets S, Blackburn EH (ноябрь 2009 г.). «Передача сигналов повреждения ДНК предотвращает добавление вредного теломер при разрыве ДНК» . Природная клеточная биология . 11 (11): 1383–1386. doi : 10.1038/ncb1985 . PMC 2806817 . PMID 19838171 .
- ^ Jump up to: а беременный Chen J, He X, Jakovlić I (ноябрь 2022 г.). «Положительная фиксация гоминин-специфической аминокислотной мутации, связанной с дефосфорилированием в IRF9» . Экология и эволюция BMC . 22 (1): 132. DOI : 10.1186/S12862-022-02088-5 . PMC 9650800 . PMID 36357830 .
Текст был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 .
