Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Серин в аминокислотной цепи до и после фосфорилирования.

В химии , фосфорилирование молекулы является присоединение фосфорильной группы . Этот процесс и его обратный процесс, дефосфорилирование , имеют решающее значение для многих клеточных процессов в биологии . Фосфорилирование белков особенно важно для их функции; например, эта модификация активирует (или деактивирует) почти половину ферментов, присутствующих в Saccharomyces cerevisiae , тем самым регулируя их функцию. [1] [2] [3] Многие белки (от 1/3 до 2/3 протеома у эукариот [4] [5]) фосфорилируются временно, как и многие сахара , липиды и другие биологически важные молекулы.

Глюкоза [ править ]

Фосфорилирование сахаров часто является первой стадией их катаболизма . Фосфорилирование позволяет клеткам накапливать сахара, поскольку фосфатная группа препятствует диффузии молекул обратно через их переносчик. Фосфорилирование глюкозы является ключевой реакцией в метаболизме сахара, потому что многие сахара сначала превращаются в глюкозу, прежде чем они метаболизируются дальше.

Химическое уравнение превращения D-глюкозы в D-глюкозо-6-фосфат на первой стадии гликолиза дается формулой

D-глюкоза + АТФ → D-глюкозо-6-фосфат + АДФ
ΔG ° = −16,7 кДж / моль (° означает измерение при стандартных условиях)

Исследователь Д. Г. Уокер из Университета Бирмингема определил присутствие в печени взрослых морских свинок двух специфических ферментов, которые катализируют фосфорилирование глюкозы до глюкозо-6-фосфата. [ сомнительно - обсудить ] Два фермента были идентифицированы как специфическая глюкокиназа (АТФ-D-глюкозо-6-фосфотрансфераза) и неспецифическая гексокиназа (АТФ-D-гексозо-6-фосфотрансфераза).

Клетки печени свободно проницаемы для глюкозы, и начальная скорость фосфорилирования глюкозы является лимитирующим этапом метаболизма глюкозы печенью (АТФ-D-глюкозо-6-фосфотрансфераза) и неспецифической гексокиназой (АТФ-D-гексоза 6 -фосфотрансфераза). [6]

Роль глюкозо-6-фосфата в гликогенсинтазе: высокая концентрация глюкозы в крови вызывает повышение внутриклеточных уровней глюкозо-6-фосфата в печени, скелетных мышцах и жировой (жировой) ткани. (АТФ-D-глюкозо-6-фосфотрансфераза) и неспецифическая гексокиназа (АТФ-D-гексозо-6-фосфотрансфераза). В печени синтез гликогена напрямую коррелирует с концентрацией глюкозы в крови, а в скелетных мышцах и адипоцитах глюкоза оказывает незначительное влияние на гликогенсинтазу. Высокий уровень глюкозы в крови высвобождает инсулин, стимулируя перемещение определенных переносчиков глюкозы к клеточной мембране. [6] [7]

Решающая роль печени в контроле концентрации сахара в крови путем расщепления глюкозы на углекислый газ и гликоген характеризуется отрицательным значением дельта G, что указывает на то, что это точка регулирования. Фермент гексокиназа имеет низкий Km, что указывает на высокое сродство к глюкозе, поэтому это начальное фосфорилирование может происходить даже при наноскопическом уровне глюкозы в крови.

Фосфорилирование глюкозы может быть усилено связыванием фруктозо-6-фосфата и уменьшено связыванием фруктозо-1-фосфата. Фруктоза, потребляемая с пищей, превращается в печени в F1P. Это сводит на нет действие F6P на глюкокиназу [8], что в конечном итоге способствует прямой реакции. Способность клеток печени фосфорилировать фруктозу превышает способность метаболизировать фруктозо-1-фосфат. Избыток фруктозы в конечном итоге приводит к дисбалансу метаболизма печени, что косвенно истощает запасы АТФ в клетках печени. [9]

Аллостерическая активация глюкозо-6-фосфатом, который действует как эффектор, стимулирует гликогенсинтазу, а глюкозо-6-фосфат может ингибировать фосфорилирование гликогенсинтазы циклической AMP-стимулированной протеинкиназой. [7]

Фосфорилирование глюкозы является неотъемлемой частью процессов в организме. Например, фосфорилирование глюкозы необходимо для инсулинозависимой механистической мишени активности пути рапамицина в сердце. Это также предполагает связь между промежуточным метаболизмом и сердечным ростом. [10]

Гликолиз [ править ]

Основная статья: Гликолиз

Гликолиз - это важный процесс расщепления глюкозы на две молекулы пирувата на разных этапах с помощью разных ферментов. Это происходит в десять этапов и доказывает, что фосфорилирование является очень необходимым и необходимым этапом для получения конечных продуктов. Фосфорилирование инициирует реакцию на этапе 1 подготовительной стадии [11] (первая половина гликолиза) и инициирует этап 6 фазы выплаты (вторая фаза гликолиза). [12]

Глюкоза по своей природе представляет собой небольшую молекулу, способную диффундировать внутрь и из клетки. Фосфорилируя глюкозу (добавляя фосфорильную группу для создания отрицательно заряженной фосфатной группы [13] ), глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат и удерживается внутри клетки, поскольку клеточная мембрана заряжается отрицательно. Эта реакция происходит из-за фермента гексокиназы, фермента, который помогает фосфорилировать многие шестичленные кольцевые структуры. Глюкозо-6-фосфат не может проходить через клеточную мембрану и поэтому вынужден оставаться внутри клетки. Фосфорилирование происходит на этапе 3, где фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат. Эта реакция катализируется фосфофруктокиназой.

В то время как фосфорилирование выполняется АТФ на подготовительных этапах, фосфорилирование во время фазы выплаты поддерживается неорганическим фосфатом. Каждая молекула глицеральдегид-3-фосфата фосфорилируется с образованием 1,3-бисфосфоглицерата. Эта реакция катализируется GAPDH (глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа). Каскадный эффект фосфорилирования в конечном итоге вызывает нестабильность и позволяет ферментам открывать углеродные связи в глюкозе.

Фосфорилирование является чрезвычайно важным компонентом гликолиза, поскольку помогает в транспортировке, контроле и эффективности. [14]

Фосфорилирование белков [ править ]

Основная статья: фосфорилирование белков

Фосфорилирование белков считается наиболее распространенной посттрансляционной модификацией у эукариот. Фосфорилирование может происходить на боковых цепях серина , треонина и тирозина (часто называемых «остатками») через образование фосфоэфирных связей , на гистидине , лизине и аргинине через фосфорамидатные связи и на аспарагиновой кислоте и глутаминовой кислоте через смешанные ангидридные связи . Недавние данные подтверждают широко распространенное фосфорилирование гистидина как по 1, так и по 3 атомам N имидазольного кольца. [15] [16]Недавняя работа демонстрирует широко распространенное фосфорилирование человеческого белка по множеству неканонических аминокислот, включая мотивы, содержащие фосфорилированный гистидин, аспартат, глутамат, цистеин, аргинин и лизин в экстрактах клеток HeLa. [17] Однако из-за химической лабильности этих фосфорилированных остатков и в резком контрасте с фосфорилированием Ser, Thr и Tyr анализ фосфорилированного гистидина (и других неканонических аминокислот) с использованием стандартных биохимических и масс-спектрометрических подходов очень сложен. Более сложные [17] [18] [19] и специальные процедуры и методы разделения требуются для их сохранения наряду с классическим фосфорилированием Ser, Thr и Tyr. [20]

Важная роль фосфорилирования белков в биохимии иллюстрируется огромным количеством исследований, опубликованных по этой теме (по состоянию на март 2015 года база данных MEDLINE содержит более 240 000 статей, в основном по фосфорилированию белков ).

ATP [ править ]

АТФ , «высокоэнергетическая» обменная среда в клетке, синтезируется в митохондрии путем добавления третьей фосфатной группы к АДФ в процессе, называемом окислительным фосфорилированием . АТФ также синтезируется путем фосфорилирования на уровне субстрата во время гликолиза . АТФ синтезируется за счет солнечной энергии путем фотофосфорилирования в хлоропластах растительных клеток.

См. Также [ править ]

  • Сохранение частей
  • Фосида
  • Анализ фосфоаминокислот
  • RegPhos
  • Типы фосфорилирования

Ссылки [ править ]

  1. ^ Оливейра, Ана Паула; Зауэр, Уве (2012-03-01). «Важность посттрансляционных модификаций в регуляции метаболизма Saccharomyces cerevisiae» . FEMS Yeast Research . 12 (2): 104–117. DOI : 10.1111 / j.1567-1364.2011.00765.x . ISSN  1567-1364 . PMID  22128902 .
  2. ^ Триподи, Фарида; Никастро, Рафаэле; Регеллин, Вероника; Кокчетти, Паола (01.04.2015). «Посттрансляционные модификации метаболизма углерода дрожжей: регуляторные механизмы вне контроля транскрипции». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Общие вопросы . 1850 (4): 620–627. DOI : 10.1016 / j.bbagen.2014.12.010 . ISSN 0006-3002 . PMID 25512067 .  
  3. ^ Властаридис, Панайотис; Папакириаку, Афанасиос; Халиотис, Анаргирос; Стратик, Эфстратиос; Оливер, Стивен Дж .; Амуциас, Григориос Д. (03.04.2017). «Основная роль фосфорилирования белков в контроле центрального метаболизма дрожжей» . G3 (Бетесда, штат Мэриленд) . 7 (4): 1239–1249. DOI : 10,1534 / g3.116.037218 . ISSN 2160-1836 . PMC 5386872 . PMID 28250014 .   
  4. ^ Коэн, Филипп (2002-05-01). «Истоки фосфорилирования белков». Природа клеточной биологии . 4 (5): E127–130. DOI : 10.1038 / ncb0502-E127 . ISSN 1465-7392 . PMID 11988757 .  
  5. ^ Властаридис, Панайотис; Кириакиду, Пелагея; Халиотис, Анаргирос; де Пер, Ив Ван; Оливер, Стивен Дж .; Амуциас, Григорис Д. (07.01.2017). «Оценка общего количества фосфопротеинов и сайтов фосфорилирования в протеомах эукариот» . GigaScience . 6 (2): 1–11. DOI : 10,1093 / gigascience / giw015 . ISSN 2047-217X . PMC 5466708 . PMID 28327990 .   
  6. ^ а б Уокер Д.Г., Рао С (1964). «Роль глюкокиназы в фосфорилировании глюкозы печенью крысы» . Биохимический журнал . 90 (2): 360–8. DOI : 10.1042 / bj0900360 . PMC 1202625 . PMID 5834248 .  
  7. ^ a b Виллар-Паласи, С .; Гуиноварт, JJ (1 июня 1997 г.). «Роль глюкозо-6-фосфата в контроле гликогенсинтазы». Журнал FASEB . 11 (7): 544–558. DOI : 10.1096 / fasebj.11.7.9212078 . ISSN 0892-6638 . 
  8. Перейти ↑ Walker DG, Rao S (1964). «Роль глюкокиназы в фосфорилировании глюкозы печенью крысы» . Биохимический журнал . 90 (2): 360–368. DOI : 10.1042 / bj0900360 . PMC 1202625 . PMID 5834248 .  
  9. ^ «Регулирование гликолиза» . cmgm.stanford.edu . Проверено 18 ноября 2017 .
  10. ^ Шарма, Саумья; Гатри, Патрик Х .; Чан, Сюзанна С .; Хак, Сайед; Таегтмайер, Генрих (01.10.2007). «Фосфорилирование глюкозы необходимо для инсулинозависимой передачи сигналов mTOR в сердце» . Сердечно-сосудистые исследования . 76 (1): 71–80. DOI : 10.1016 / j.cardiores.2007.05.004 . ISSN 0008-6363 . PMC 2257479 . PMID 17553476 .   
  11. ↑ Глава 14: Гликолиз и катаболизм гексоз .
  12. ^ Гарретт, Реджинальд (1995). Биохимия . Колледж Сондерса.
  13. ^ «Гексокиназа - Реакция» . www.chem.uwec.edu . Проверено 29 июля 2020 .
  14. ^ Мейбер, Джон. «Введение в гликолиз» . Проверено 18 ноября 2017 года .
  15. ^ Fuhs СР, Хантер Т (2017). «рНисфорилирование: появление фосфорилирования гистидина как обратимой регуляторной модификации» . Curr Opin Cell Biol . 45 : 8–16. DOI : 10.1016 / j.ceb.2016.12.010 . PMC 5482761 . PMID 28129587 .  
  16. ^ Fuhs С.Р., Meisenhelder Дж, Асланян А, Ма л, Zagorska А, Станкова М, Бинни А, Аль-Обейди Ж, може Дж, Лемке G, Йейтс JR третьих, Хантер Т (2015). «Моноклональные 1- и 3-фосфогистидиновые антитела: новые инструменты для изучения фосфорилирования гистидина» . Cell . 162 (1): 198–210. DOI : 10.1016 / j.cell.2015.05.046 . PMC 4491144 . PMID 26140597 .  
  17. ^ a b Hardman G, Perkins S, Brownridge PJ, Clarke CJ, Byrne DP, Campbell AE, Kalyuzhnyy A, Myall A, Eyers PA, Jones AR, Eyers CE (2019). «Сильная фосфопротеомика, опосредованная анионным обменом, выявляет обширное неканоническое фосфорилирование человека» . EMBO J . 38 (21): e100847. DOI : 10.15252 / embj.2018100847 . PMC 6826212 . PMID 31433507 .  
  18. ^ Гонсалес-Санчес MB, Lanucara F, Хардмэн GE, Eyers CE (2014). «Межмолекулярный перенос фосфата в газовой фазе внутри димера фосфогистидинфосфопептида» . Int J Mass Spectrom . 367 : 28–34. Bibcode : 2014IJMSp.367 ... 28G . DOI : 10.1016 / j.ijms.2014.04.015 . PMC 4375673 . PMID 25844054 .  
  19. ^ Гонсалес-Санчес MB, Lanucara F, M Helm, Eyers CE (2013). «Попытка переписать историю: проблемы с анализом гистидин-фосфорилированных пептидов». Biochem Soc Trans . 41 (4): 1089–1095. DOI : 10,1042 / bst20130072 . PMID 23863184 . 
  20. ^ Хардмэн G, S Перкинс, Жуань Z, Каннан Н, Brownridge Р, Бирн ДП, Eyers П.А., Джонс Р., Eyers CE (2017). «Обширное неканоническое фосфорилирование в человеческих клетках выявлено с помощью фосфопротеомики, опосредованной сильным анионным обменом». bioRxiv 10.1101 / 202820 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Функциональные анализы сайт-специфического фосфорилирования целевого белка в клетках (протокол А)