En bioquímica , la desfosforilación es la eliminación de un grupo fosfato (PO 4 3− ) de un compuesto orgánico por hidrólisis . Es una modificación postraduccional reversible . La desfosforilación y su contraparte, la fosforilación , activan y desactivan las enzimas desprendiendo o uniendo ésteres y anhídridos fosfóricos . Una ocurrencia notable de desfosforilación es la conversión de ATP en ADP y fosfato inorgánico.
La desfosforilación emplea un tipo de enzima hidrolítica, o hidrolasa , que escinde los enlaces éster. La subclase de hidrolasa prominente utilizada en la desfosforilación es la fosfatasa , que elimina los grupos fosfato hidrolizando monoésteres de ácido fosfórico en un ion fosfato y una molécula con un grupo hidroxilo libre (-OH).
La reacción reversible de fosforilación-desfosforilación ocurre en todos los procesos fisiológicos, lo que hace necesaria la función adecuada de las proteínas fosfatasas para la viabilidad del organismo. Debido a que la desfosforilación de proteínas es un proceso clave involucrado en la señalización celular , [1] las proteínas fosfatasas están implicadas en afecciones como enfermedades cardíacas, diabetes y enfermedad de Alzheimer. [2]
Historia
El descubrimiento de la desfosforilación provino de una serie de experimentos que examinaron la enzima fosforilasa aislada del músculo esquelético del conejo. En 1955, Edwin Krebs y Edmond Fischer usaron ATP radiomarcado para determinar que se agrega fosfato al residuo de serina de la fosforilasa para convertirlo de su b a una forma mediante fosforilación. [3] Posteriormente, Krebs y Fischer demostraron que esta fosforilación es parte de una cascada de quinasas. Finalmente, después de purificar la forma fosforilada de la enzima, fosforilasa a , de hígado de conejo, se utilizó cromatografía de intercambio iónico para identificar la fosfoproteína fosfatasa I y II. [4]
Desde el descubrimiento de estas proteínas desfosforilantes, la naturaleza reversible de la fosforilación y desfosforilación se ha asociado con una amplia gama de proteínas funcionales, principalmente enzimáticas, pero que también incluyen proteínas no enzimáticas. [5] Edwin Krebs y Edmond Fischer ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1992 por el descubrimiento de la fosforilación de proteínas reversible. [6]
Función
La fosforilación y desfosforilación de grupos hidroxilo pertenecientes a aminoácidos neutrales pero polares como serina, treonina y tirosina dentro de proteínas diana específicas es una parte fundamental de la regulación de todo proceso fisiológico. La fosforilación implica la modificación covalente del hidroxilo con un grupo fosfato a través del ataque nucleofílico del alfa fosfato en ATP por el oxígeno en el hidroxilo. La desfosforilación implica la eliminación del grupo fosfato mediante una reacción de hidratación mediante la adición de una molécula de agua y la liberación del grupo fosfato original, regenerando el hidroxilo. Ambos procesos son reversibles y cualquiera de los dos mecanismos se puede utilizar para activar o desactivar una proteína. La fosforilación de una proteína produce muchos efectos bioquímicos, como cambiar su conformación para alterar su unión a un ligando específico para aumentar o reducir su actividad. La fosforilación y desfosforilación se pueden utilizar en todo tipo de sustratos, como proteínas estructurales, enzimas, canales de membrana, moléculas de señalización y otras quinasas y fosfatasas. La suma de estos procesos se conoce como fosforregulación. [8] La desregulación de la fosforilación puede provocar enfermedades. [9]
Modificación post-traduccional
Durante la síntesis de proteínas, las cadenas polipeptídicas, que son creadas por los ribosomas que traducen el ARNm, deben procesarse antes de asumir una conformación madura. La desfosforilación de proteínas es un mecanismo para modificar el comportamiento de una proteína, a menudo activando o inactivando una enzima . Los componentes del aparato de síntesis de proteínas también se someten a fosforilación y desfosforilación y, por lo tanto, regulan las tasas de síntesis de proteínas. [10]
Como parte de las modificaciones postraduccionales, los grupos fosfato pueden eliminarse de la serina, treonina o tirosina. Como tal, las vías de transducción de señales intracelulares dependen de la fosforilación y desfosforilación secuenciales de una amplia variedad de proteínas.
ATP
- ATP 4− + H 2 O ⟶ ADP 3− + HPO 4 2− + H +
El trifosfato de adenosina , o ATP, actúa como una "moneda" de energía libre en todos los organismos vivos. En una reacción de desfosforilación espontánea se liberan 30,5 kJ / mol, que se aprovechan para impulsar reacciones celulares. En general, las reacciones no espontáneas acopladas a la desfosforilación de ATP son espontáneas, debido al cambio negativo de energía libre de la reacción acoplada. Esto es importante para impulsar la fosforilación oxidativa. El ATP se desfosforila a ADP y fosfato inorgánico. [11]
A nivel celular, la desfosforilación de ATPasas determina el flujo de iones dentro y fuera de la célula. Los inhibidores de la bomba de protones son una clase de fármaco que actúa directamente sobre las ATPasas del tracto gastrointestinal.
Desfosforilación en otras reacciones.
Otras moléculas además del ATP sufren desfosforilación como parte de otros sistemas biológicos. Los diferentes compuestos producen diferentes cambios de energía libre como resultado de la desfosforilación. [12]
Molécula | Cambio de energía libre |
---|---|
Fosfato de acetilo | 47,3 kJ / mol |
Glucosa-6-fosfato | 13,8 kJ / mol |
Fosfoenolpiruvato (PEP) | -61,9 kJ / mes |
Fosfocreatina | 43,1 kJ / mes |
La psilocibina también depende de la desfosforilación para ser metabolizada en psilocina y luego eliminada. Actualmente no se dispone de información sobre el efecto de la psilocibina en el cambio de energía libre.
Importancia de la desfosforilación en el fotosistema II
El primer complejo de proteínas de las reacciones dependientes de la luz del componente de la fotosíntesis se denomina fotosistema II . El complejo utiliza una enzima para capturar fotones de luz, proporcionando el mayor proceso de fotosíntesis con todos los electrones necesarios para producir ATP. El fotosistema II es particularmente sensible a la temperatura, [13] y la desfosforilación se ha implicado como un impulsor de la plasticidad en la respuesta a temperaturas variadas. La desfosforilación acelerada de proteínas en las membranas tilacoides fotosintéticas ocurre a temperaturas elevadas, lo que impacta directamente en la desfosforilación de proteínas clave dentro del complejo fotosistema II. [14]
Papel de la desfosforilación en la enfermedad
Patología
La desfosforilación excesiva de las ATPasas de membrana y las bombas de protones en el tracto gastrointestinal conduce a tasas de secreción más altas de ácidos pépticos cáusticos. Estos resultan en acidez de estómago y esofagitis. En combinación con la infección por Helicobacter pylori , la úlcera péptica es causada por el pH elevado que provoca la desfosforilación. [15]
La proteína tau asociada a microtúbulos está hiperfosforilada anormalmente cuando se aísla del cerebro de pacientes que padecen la enfermedad de Alzheimer . Esto se debe a la disfunción de los mecanismos de desfosforilación en aminoácidos específicos de la proteína tau. La desfosforilación de Tau está catalizada por la proteína fosfatasa-2A y la fosfatasa-2B. La deficiencia o modificación de una o ambas proteínas puede estar involucrada en la fosforilación anormal de tau en la enfermedad de Alzheimer [16]
La desfosforilación también se ha relacionado con enfermedades cardíacas , en particular la alteración de las interacciones actina-miosina que son clave para proporcionar la fuerza subyacente de los latidos del corazón. La desfosforilación es una parte clave de la cinética del ciclo de la miosina que controla directamente las interacciones actina-miosina. Cuando se interrumpe el proceso de desfosforilación, la contracción cardíaca dependiente del calcio se altera o se desactiva por completo. [17]
La investigación también ha sugerido que las modificaciones de la desfosforilación afectan los procesos fisiológicos implicados en la diabetes mellitus . Se ha demostrado que la cinética de la desfosforilación del sustrato del receptor de insulina-1/2, Akt y ERK1 / 2, las fosfoproteínas están involucradas en la señalización del receptor de insulina, y los modelos in vitro demuestran que los cambios en la cinética de la desfosforilación impactan la estimulación de la insulina en sentido ascendente y descendente. [18]
Tratos
La inhibición de las bombas de protones [15] disminuye significativamente la acidez del tracto gastrointestinal, reduciendo los síntomas de las enfermedades relacionadas con el ácido. El cambio resultante en el pH disminuye la supervivencia de la bacteria H.pylori , una de las principales causas de úlcera péptica. Una vez que el inhibidor de la bomba de protones erradica esta bacteria dentro del intestino, revierte el reflujo erosivo. El tratamiento de las enfermedades cardíacas ha mejorado con el uso de fármacos que inhiben la AMPK mediante la desfosforilación. [19] En el tratamiento de la diabetes, las sulfonilureas pueden estimular la desfosforilación del transportador de glucosa GLUT4 , disminuyendo la resistencia a la insulina y aumentando la utilización de la glucosa. [20]
Aplicaciones de investigación
La desfosforilación puede desempeñar un papel clave en la biología molecular, en particular la clonación mediante enzimas de restricción . Los extremos cortados de un vector pueden volver a ligarse durante un paso de ligadura debido a la fosforilación. Mediante el uso de una fosfatasa desfosforilante, se puede evitar la nueva ligadura. [21] Estas fosfatasas alcalinas a menudo se obtienen de forma natural, más comúnmente del intestino de ternera, y se abrevian como CIP . [22]
Ver también
- Fosfatasa
- Fosforilación
Referencias
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