Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В биохимии , дефосфорилирование является удаление фосфата (PO 4 3- ) группу из органического соединения путем гидролиза . Это обратимая посттрансляционная модификация . Дефосфорилирование и его аналог, фосфорилирование , активируют и деактивируют ферменты путем отделения или присоединения эфиров и ангидридов фосфорной кислоты . Заметным проявлением дефосфорилирования является превращение АТФ в АДФ и неорганический фосфат.

Дефосфорилирование использует тип гидролитического фермента или гидролазы , который расщепляет сложноэфирные связи. Выдающимся подклассом гидролаз, используемым при дефосфорилировании, является фосфатаза , которая удаляет фосфатные группы путем гидролиза моноэфиров фосфорной кислоты до фосфат-иона и молекулы со свободной гидроксильной (-ОН) группой.

Обратимая реакция фосфорилирования-дефосфорилирования происходит в каждом физиологическом процессе, делая правильную функцию протеинфосфатаз необходимой для жизнеспособности организма. Поскольку дефосфорилирование белка является ключевым процессом, участвующим в передаче сигналов клетками [ необходима цитата ] , протеинфосфатазы участвуют в таких состояниях, как сердечные заболевания, диабет и болезнь Альцгеймера. [ необходима цитата ]

История [ править ]

Открытие дефосфорилирования произошло в результате серии экспериментов по изучению фермента фосфорилазы, выделенного из скелетных мышц кролика. В 1955 году Эдвин Кребс и Эдмон Фишера использовали радиоактивно АТФ , чтобы определить , что фосфат добавляют к остатку серина фосфорилазы , чтобы преобразовать его из Ь в виде формы с помощью фосфорилирования. [1] Впоследствии Кребс и Фишер показали, что это фосфорилирование является частью каскада киназ. Наконец, после очистки фосфорилированной формы фермента, фосфорилазы а , из печени кролика, использовали ионообменную хроматографию для идентификации фосфопротеинфосфатазы I и II. [2]

С момента открытия этих дефосфорилирующих белков обратимая природа фосфорилирования и дефосфорилирования была связана с широким спектром функциональных белков, в первую очередь ферментативных, но также включая неферментативные белки. [3] Эдвин Кребс и Эдмонд Фишер получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1992 года за открытие обратимого фосфорилирования белков. [4]

Функция [ править ]

PTEN, фосфатаза.
Кристаллографическая структура человеческой фосфатазы и гомолога тензина (PTEN). Активный сайт синего N-концевого домена фосфатазы отображается желтым цветом. С-концевой домен С2 отображается красным цветом. [5]

Фосфорилирование и дефосфорилирование гидроксильных групп нейтральных, но полярных аминокислоттакие как серин, треонин и тирозин в составе определенных белков-мишеней, являются фундаментальной частью регуляции каждого физиологического процесса. Фосфорилирование включает ковалентную модификацию гидроксила фосфатной группой через нуклеофильную атаку альфа-фосфата в АТФ кислородом гидроксила. Дефосфорилирование включает удаление фосфатной группы посредством реакции гидратации путем добавления молекулы воды и высвобождения исходной фосфатной группы, регенерируя гидроксил. Оба процесса обратимы, и любой механизм может использоваться для активации или деактивации белка. Фосфорилирование белка вызывает множество биохимических эффектов, таких как изменение его конформации, чтобы изменить его связывание с конкретным лигандом, чтобы увеличить или уменьшить его активность.Фосфорилирование и дефосфорилирование можно использовать на всех типах субстратов, таких как структурные белки, ферменты, мембранные каналы, сигнальные молекулы и другие.киназы и фосфатазы. Сумма этих процессов называется фосфорегуляцией. [6] Нарушение регуляции фосфорилирования может привести к заболеванию. [7]

Посттрансляционная модификация [ править ]

Во время синтеза белков полипептидные цепи, которые создаются рибосомами, транслирующими мРНК, должны быть обработаны до принятия зрелой конформации. Дефосфорилирование белков - это механизм изменения поведения белка, часто путем активации или инактивации фермента . Компоненты аппарата синтеза белка также подвергаются фосфорилированию и дефосфорилированию и, таким образом, регулируют скорость синтеза белка. [8]

В рамках посттрансляционных модификаций фосфатные группы могут быть удалены из серина, треонина или тирозина. Таким образом, пути передачи внутриклеточного сигнала зависят от последовательного фосфорилирования и дефосфорилирования широкого спектра белков.

ATP [ править ]

Основная статья: аденозинтрифосфат
Смотрите также: Роль дефосфорилирования в заболевании
АТФ 4− + H 2 O ⟶ ADP 3− + HPO 4 2− + H +

Аденозинтрифосфат , или АТФ, действует как «валюта» свободной энергии во всех живых организмах. В реакции спонтанного дефосфорилирования высвобождается 30,5 кДж / моль, которые используются для запуска клеточных реакций. В целом, неспонтанные реакции, связанные с дефосфорилированием АТФ, являются спонтанными из-за отрицательного изменения свободной энергии связанной реакции. Это важно для окислительного фосфорилирования. АТФ дефосфорилируется до АДФ и неорганического фосфата. [9]

На клеточном уровне дефосфорилирование АТФаз определяет поток ионов в клетку и из нее. Ингибиторы протонной помпы - это класс препаратов, которые действуют непосредственно на АТФазы желудочно-кишечного тракта.

Дефосфорилирование в других реакциях [ править ]

Другие молекулы, помимо АТФ, подвергаются дефосфорилированию в составе других биологических систем. Различные соединения вызывают различные изменения свободной энергии в результате дефосфорилирования. [10]

МолекулаИзменение свободной энергии
Ацетилфосфат47,3 кДж / моль
Глюкозо-6-фосфат13,8 кДж / моль
Фосфоенолпируват (PEP)-61,9 кДж / мес
Фосфокреатин43,1 кДж / мес

Псилоцибин также зависит от дефосфорилирования, который метаболизируется в псилоцин и далее выводится. Информация о влиянии псилоцибина на изменение свободной энергии в настоящее время отсутствует.

Важность дефосфорилирования в Фотосистеме II [ править ]

Первый белковый комплекс светозависимых реакций компонента фотосинтеза называется фотосистемой II . В этом комплексе используется фермент для захвата фотонов света, обеспечивая лучший процесс фотосинтеза со всеми электронами, необходимыми для производства АТФ. Фотосистема II особенно чувствительна к температуре [11], и десфосфорилирование рассматривается как движущая сила пластичности при реагировании на изменяющуюся температуру. Ускоренное дефосфорилирование белков в фотосинтетических мембранах тилакоидов происходит при повышенных температурах, напрямую влияя на десфосфорилирование ключевых белков в комплексе фотосистемы II. [12]

Роль дефосфорилирования в заболевании [ править ]

Патология [ править ]

Чрезмерное дефосфорилирование мембранных АТФаз и протонных насосов в желудочно-кишечном тракте приводит к более высокой скорости секреции едких пептических кислот. Это приводит к изжоге и эзофагиту. В сочетании с инфекцией Helicobacter pylori язвенная болезнь вызывается повышенным дефосфорилированием pH. [13]

Связанный с микротрубочками белок тау аномально гиперфосфорилируется при выделении из мозга пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера . Это связано с дисфункцией механизмов дефосфорилирования определенных аминокислот тау-белка. Дефосфорилирование тау катализируется протеинфосфатазой-2A и фосфатазой-2B. Дефицит или модификация одного или обоих белков могут быть вовлечены в аномальное фосфорилирование тау при болезни Альцгеймера [14].

Дефосфорилирование также связано с сердечными заболеваниями , особенно с изменением взаимодействий актин-миозин, которые являются ключевыми для обеспечения основной силы сердцебиения. Дефосфорилирование - ключевая часть кинетики цикла миозина, которая непосредственно контролирует взаимодействия актин-миозин. Когда процесс дефосфорилирования прерывается, сердечное сокращение, зависящее от кальция, нарушается или полностью прекращается. [15]

Исследования также показали, что модификации дефосфорилирования влияют на физиологические процессы, связанные с сахарным диабетом . Показано, что кинетика дефосфорилирования инсулинового рецептора субстрата-1/2, Akt и ERK1 / 2, фосфопротеины участвуют в передаче сигналов рецептора инсулина, а модели in vitro демонстрируют, что изменения кинетики дефосфорилирования влияют на стимуляцию инсулином выше и ниже по течению. [16]

Лечение [ править ]

Ингибирование протонных насосов [13] значительно снижает кислотность желудочно-кишечного тракта, уменьшая симптомы связанных с кислотой заболеваний. В результате изменение pH снижает выживаемость бактерий H.pylori , основной причины язвенной болезни. Как только ингибитор протонной помпы уничтожает эти бактерии в кишечнике, обращая вспять эрозивный рефлюкс. Лечение сердечных заболеваний улучшилось благодаря использованию лекарств, которые ингибируют AMPK посредством дефосфорилирования. [17] При лечении диабета препараты сульфонилмочевины способны стимулировать дефосфорилирование переносчика глюкозы GLUT4 , снижая резистентность к инсулину и увеличивая утилизацию глюкозы. [18]

Приложения для исследований [ править ]

Дефосфорилирование может играть ключевую роль в молекулярной биологии, особенно при клонировании с использованием рестрикционных ферментов . Обрезанные концы вектора могут повторно лигироваться во время стадии лигирования из-за фосфорилирования. Используя десфосфорилирующую фосфатазу, можно избежать повторного лигирования. [19] Эти щелочные фосфатазы часто получают естественным путем, чаще всего из кишечника теленка, и обозначаются аббревиатурой CIP . [20]

См. Также [ править ]

  • Фосфатаза
  • Фосфорилирование

Ссылки [ править ]

  1. ^ ФИШЕР, ЭН; КРЕБС, ЭГ (сентябрь 1955 г.). «Превращение фосфорилазы b в фосфорилазу a в мышечных экстрактах». Журнал биологической химии . 216 (1): 121–32. PMID  13252012 .
  2. ^ Khandelwal, RL; Vandenheede, JR; Кребс, EG (25 августа 1976 г.). «Очистка, свойства и специфичность субстрата фосфопротеинфосфатазы (ов) из печени кролика». Журнал биологической химии . 251 (16): 4850–8. PMID 8449 . 
  3. ^ Krebs EG, Beavo JA (1979). «Фосфорилирование-дефосфорилирование ферментов». Анну. Rev. Biochem . 48 : 923–59. DOI : 10.1146 / annurev.bi.48.070179.004423 . PMID 38740 . 
  4. ↑ Раджу TN (июнь 2000 г.). «Нобелевские хроники. 1992: Эдмон Х. Фишер (р. 1920) и Эдвин Г. Кребс (р. 1918)». Ланцет . 355 (9219): 2004. DOI : 10.1016 / S0140-6736 (05) 72951-2 . PMID 10859071 . 
  5. ^ PDB : 1d5r ; Ли Джо, Ян Х., Джорджеску М.М., Ди Кристофано А., Маэхама Т., Ши Й., Диксон Дж. Э., Пандольфи П., Павлетич Н. П. (октябрь 1999 г.). «Кристаллическая структура супрессора опухолей PTEN: последствия для его активности фосфоинозитид фосфатазы и мембранной ассоциации». Cell . 99 (3): 323–34. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (00) 81663-3 . PMID 10555148 . 
  6. ^ Beltrao P, Trinidad JC, Fiedler D, et al. (Июнь 2009 г.). «Эволюция фосфорегуляции: сравнение паттернов фосфорилирования у разных видов дрожжей» . PLoS Biol . 7 (6): e1000134. DOI : 10.1371 / journal.pbio.1000134 . PMC 2691599 . PMID 19547744 .  
  7. ^ Bononi A, Agnoletto C, De Marchi E, et al. (2011). «Протеинкиназы и фосфатазы в контроле судьбы клеток» . Enzyme Res . 2011 : 329098. дои : 10,4061 / 2011/329098 . PMC 3166778 . PMID 21904669 .  
  8. ^ Селис JE, Madsen P, Рязанов AG (июнь 1990). «Повышенное фосфорилирование фактора элонгации 2 во время митоза в трансформированных клетках амниона человека коррелирует со сниженной скоростью синтеза белка» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 87 (11): 4231–5. DOI : 10.1073 / pnas.87.11.4231 . PMC 54082 . PMID 2349232 .  
  9. ^ Касидей, Рэйчел. «Энергия для тела: окислительное фосфорилирование» . Проверено 5 апреля 2013 года .
  10. ^ Касидей, Рэйчел. «Эксперимент по окислительно-восстановительным реакциям» . Энергия для тела: окислительное фосфорилирование . Химический факультет Вашингтонского университета . Проверено 24 апреля 2013 года .
  11. ↑ Ямаути, Ясуо (29 июля 2011 г.). «Растения переключают фотосистему на высокую температуру, чтобы защитить фотосистему II» . Предшествующая природа .
  12. ^ Рокка, А; Аро, EM; Herrmann, RG; Андерссон, Б. Венер, А.В. (август 2000 г.). «Дефосфорилирование белков реакционного центра фотосистемы II в фотосинтетических мембранах растений как немедленный ответ на резкое повышение температуры» . Физиология растений . 123 (4): 1525–36. DOI : 10.1104 / pp.123.4.1525 . PMC 59108 . PMID 10938368 .  
  13. ^ a b Робинсон, М. (июнь 2005 г.). «Ингибиторы протонной помпы: обновленная информация об их роли в желудочно-кишечных заболеваниях, связанных с кислотой». Международный журнал клинической практики . 59 (6): 709–15. DOI : 10.1111 / j.1368-5031.2005.00517.x . PMID 15924600 . 
  14. ^ Gong CX, Grundke-Икбал I, Икбал K (август 1994). «Дефосфорилирование тау-белка, вызванного болезнью Альцгеймера, с помощью протеинфосфатазы-2А». Неврология . 61 (4): 765–72. DOI : 10.1016 / 0306-4522 (94) 90400-6 . PMID 7838376 . 
  15. ^ Шейх Ф, Оуян К., Кэмпбелл С.Г. и др. (Апрель 2012 г.). «Мышиные и компьютерные модели связывают дефосфорилирование Mlc2v с измененной кинетикой миозина при ранних сердечных заболеваниях» . J. Clin. Инвестируйте . 122 (4): 1209–21. DOI : 10.1172 / JCI61134 . PMC 3314469 . PMID 22426213 .  
  16. ^ Zhande R, Zhang W, Zheng Y и др. (Декабрь 2006 г.). «Дефосфорилирование по умолчанию, потенциальный механизм регуляции субстрата-1/2 рецептора инсулина, Akt и ERK1 / 2» . J. Biol. Chem . 281 (51): 39071–80. DOI : 10.1074 / jbc.M605251200 . PMID 17068339 . 
  17. ^ Хатчинсон, DS; Саммерс, Р.Дж.; Бенгтссон, Т. (сентябрь 2008 г.). «Регулирование активности AMP-активированной протеинкиназы с помощью рецепторов, связанных с G-белком: потенциальная полезность при лечении диабета и болезней сердца». Фармакология и терапия . 119 (3): 291–310. DOI : 10.1016 / j.pharmthera.2008.05.008 . PMID 18606183 . 
  18. ^ Мюллер, G; Wied, S (декабрь 1993 г.). «Препарат на основе сульфонилмочевины, глимепирид, стимулирует транспорт глюкозы, транслокацию переносчика глюкозы и дефосфорилирование в инсулинорезистентных адипоцитах крыс in vitro» (PDF) . Диабет . 42 (12): 1852–67. DOI : 10.2337 / diabetes.42.12.1852 . PMID 8243832 .  
  19. ^ Sambrook, J; Fritsch, EF; Маниатис, Т. (1989). Молекулярное клонирование: лабораторное руководство (2-е изд.). Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор.
  20. ^ Маковец S, Блэкберн EH (ноябрь 2009 г.). «Передача сигналов о повреждении ДНК предотвращает вредное добавление теломер в разрыве ДНК» . Nat. Cell Biol . 11 (11): 1383–6. DOI : 10.1038 / ncb1985 . PMC 2806817 . PMID 19838171 .  

Внешние ссылки [ править ]