En química , la fosforilación de una molécula es la unión de un grupo fosforilo . Este proceso y su inversa, la desfosforilación , son críticos para muchos procesos celulares en biología . La fosforilación de proteínas es especialmente importante para su función; por ejemplo, esta modificación activa (o desactiva) casi la mitad de las enzimas presentes en Saccharomyces cerevisiae , regulando así su función. [1] [2] [3] Muchas proteínas (entre 1/3 y 2/3 del proteoma en eucariotas [4] [5]) se fosforilan temporalmente, al igual que muchos azúcares , lípidos y otras moléculas biológicamente relevantes.
Glucosa
La fosforilación de azúcares suele ser la primera etapa de su catabolismo . La fosforilación permite que las células acumulen azúcares porque el grupo fosfato evita que las moléculas se difundan a través de su transportador. La fosforilación de la glucosa es una reacción clave en el metabolismo del azúcar porque muchos azúcares se convierten primero en glucosa antes de que se metabolicen más.
La ecuación química para la conversión de D-glucosa en D-glucosa-6-fosfato en el primer paso de la glucólisis viene dada por
- D-glucosa + ATP → D-glucosa-6-fosfato + ADP
- ΔG ° = −16,7 kJ / mol (° indica medición en condiciones estándar)
El investigador DG Walker de la Universidad de Birmingham determinó la presencia de dos enzimas específicas en el hígado de un cobayo adulto, las cuales catalizan la fosforilación de glucosa a glucosa 6 fosfato. [ dudoso ] Las dos enzimas se han identificado como una glucoquinasa específica (ATP-D-glucosa 6-fosfotransferasa) y una hexocinasa no específica (ATP-D-hexosa 6-fosfotransferasa).
Las células hepáticas son libremente permeables a la glucosa, y la tasa inicial de fosforilación de la glucosa es el paso limitante en el metabolismo de la glucosa por el hígado (ATP-D-glucosa 6-fosfotransferasa) y hexocinasa inespecífica (ATP-D-hexosa 6). -fosfotransferasa). [6]
El papel de la glucosa 6-fosfato en la glucógeno sintasa: la concentración alta de glucosa en sangre provoca un aumento de los niveles intracelulares de glucosa 6 fosfato en el hígado, el músculo esquelético y el tejido graso (adiposo). (ATP-D-glucosa 6-fosfotransferasa) y hexoquinasa inespecífica (ATP-D-hexosa 6-fosfotransferasa). En el hígado , la síntesis de glucógeno está directamente relacionada con la concentración de glucosa en sangre y en el músculo esquelético y los adipocitos , la glucosa tiene un efecto menor sobre la glucógeno sintasa. La glucosa alta en sangre libera insulina, estimulando la ubicación trans de transportadores de glucosa específicos a la membrana celular. [6] [7]
El papel crucial del hígado en el control de las concentraciones de azúcar en sangre al descomponer la glucosa en dióxido de carbono y glucógeno se caracteriza por el valor negativo delta G, lo que indica que este es un punto de regulación. La enzima hexoquinasa tiene una Km baja, lo que indica una alta afinidad por la glucosa, por lo que esta fosforilación inicial puede continuar incluso cuando los niveles de glucosa están a escala nanoscópica dentro de la sangre.
La fosforilación de la glucosa puede potenciarse mediante la unión de fructosa-6-fosfato y disminuida por la unión de fructosa-1-fosfato. La fructosa consumida en la dieta se convierte en F1P en el hígado. Esto niega la acción de F6P sobre la glucoquinasa, [8] que en última instancia favorece la reacción directa. La capacidad de las células del hígado para fosforilar la fructosa excede la capacidad para metabolizar la fructosa-1-fosfato. El consumo excesivo de fructosa da como resultado en última instancia un desequilibrio en el metabolismo hepático, que agota indirectamente el suministro de ATP de las células hepáticas. [9]
La activación alostérica por la glucosa 6 fosfato, que actúa como efector, estimula la glucógeno sintasa, y la glucosa 6 fosfato puede inhibir la fosforilación de la glucógeno sintasa por la proteína cinasa estimulada por AMP cíclico. [7]
La fosforilación de la glucosa es imperativa en los procesos dentro del cuerpo. Por ejemplo, la fosforilación de glucosa es necesaria para el objetivo mecanicista insulinodependiente de la actividad de la vía de la rapamicina dentro del corazón. Esto sugiere además un vínculo entre el metabolismo intermedio y el crecimiento cardíaco. [10]
Glucólisis
La glucólisis es un proceso esencial de degradación de la glucosa en dos moléculas de piruvato , a través de varios pasos, con la ayuda de diferentes enzimas. Ocurre en diez pasos y demuestra que la fosforilación es un paso muy requerido y necesario para lograr los productos finales. La fosforilación inicia la reacción en el paso 1 del paso preparatorio [11] (primera mitad de la glucólisis) e inicia el paso 6 de la fase de pago (segunda fase de la glucólisis). [12]
La glucosa, por naturaleza, es una molécula pequeña con la capacidad de difundirse dentro y fuera de la célula. Al fosforilar la glucosa (añadiendo un grupo fosforilo para crear un grupo fosfato con carga negativa [13] ), la glucosa se convierte en glucosa-6-fosfato y queda atrapada dentro de la célula a medida que la membrana celular se carga negativamente. Esta reacción ocurre debido a la enzima hexoquinasa, una enzima que ayuda a fosforilar muchas estructuras de anillo de seis miembros. La glucosa-6-fosfato no puede viajar a través de la membrana celular y, por lo tanto, se ve obligada a permanecer dentro de la célula. La fosforilación tiene lugar en el paso 3, donde la fructosa-6-fosfato se convierte en fructosa-1,6-bisfosfato. Esta reacción es catalizada por fosfofructoquinasa.
Mientras que la fosforilación la realizan los ATP durante los pasos preparatorios, la fosforilación durante la fase de pago se mantiene mediante el fosfato inorgánico. Cada molécula de gliceraldehído-3-fosfato se fosforila para formar 1,3-bisfosfoglicerato. Esta reacción es catalizada por GAPDH (gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa). El efecto cascada de la fosforilación eventualmente causa inestabilidad y permite que las enzimas abran los enlaces de carbono en la glucosa.
La fosforilación funciona como un componente extremadamente vital de la glucólisis, ya que ayuda en el transporte, el control y la eficiencia. [14]
Fosforilación de proteínas
La fosforilación de proteínas se considera la modificación postraduccional más abundante en eucariotas. La fosforilación puede ocurrir en las cadenas laterales de serina , treonina y tirosina (a menudo llamadas 'residuos') a través de la formación de enlaces fosfoéster, en histidina , lisina y arginina a través de enlaces fosforamidato , y en ácido aspártico y ácido glutámico a través de enlaces anhídrido mixtos . La evidencia reciente confirma la fosforilación de histidina generalizada en los átomos de 1 y 3 N del anillo de imidazol. [15] [16] Un trabajo reciente demuestra la fosforilación de proteínas humanas generalizada en múltiples aminoácidos no canónicos, incluidos motivos que contienen histidina fosforilada, aspartato, glutamato, cisteína, arginina y lisina en extractos de células HeLa. [17] Sin embargo, debido a la labilidad química de estos residuos fosforilados, y en marcado contraste con la fosforilación de Ser, Thr y Tyr, el análisis de histidina fosforilada (y otros aminoácidos no canónicos) utilizando enfoques bioquímicos y espectrométricos de masas estándar es mucho más desafiante [17] [18] [19] y se requieren procedimientos especiales y técnicas de separación para su conservación junto con la fosforilación clásica de Ser, Thr y Tyr. [20]
El papel destacado de la fosforilación de proteínas en la bioquímica queda ilustrado por la gran cantidad de estudios publicados sobre el tema (en marzo de 2015, la base de datos MEDLINE arroja más de 240.000 artículos, principalmente sobre fosforilación de proteínas ).
ATP
El ATP , el medio de intercambio de "alta energía" en la célula, se sintetiza en la mitocondria mediante la adición de un tercer grupo fosfato al ADP en un proceso denominado fosforilación oxidativa . El ATP también se sintetiza mediante fosforilación a nivel de sustrato durante la glucólisis . El ATP se sintetiza a expensas de la energía solar por fotofosforilación en los cloroplastos de las células vegetales.
Ver también
- Conservación de la mitad
- Phosida
- Análisis de fosfoaminoácidos
- RegPhos
- Tipos de fosforilación
Referencias
- ^ Oliveira, Ana Paula; Sauer, Uwe (1 de marzo de 2012). "La importancia de las modificaciones postraduccionales en la regulación del metabolismo de Saccharomyces cerevisiae" . Investigación de levadura FEMS . 12 (2): 104-117. doi : 10.1111 / j.1567-1364.2011.00765.x . ISSN 1567-1364 . PMID 22128902 .
- ^ Tripodi, Farida; Nicastro, Raffaele; Reghellin, Veronica; Coccetti, Paola (1 de abril de 2015). "Modificaciones postraduccionales en el metabolismo del carbono de la levadura: mecanismos reguladores más allá del control transcripcional". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Temas generales . 1850 (4): 620–627. doi : 10.1016 / j.bbagen.2014.12.010 . ISSN 0006-3002 . PMID 25512067 .
- ^ Vlastaridis, Panayotis; Papakyriakou, Athanasios; Chaliotis, Anargyros; Stratikos, Efstratios; Oliver, Stephen G .; Amoutzias, Grigorios D. (3 de abril de 2017). "El papel fundamental de la fosforilación de proteínas en el control del metabolismo central de la levadura" . G3 (Bethesda, Maryland) . 7 (4): 1239-1249. doi : 10.1534 / g3.116.037218 . ISSN 2160-1836 . PMC 5386872 . PMID 28250014 .
- ^ Cohen, Philip (1 de mayo de 2002). "Los orígenes de la fosforilación de proteínas". Biología celular de la naturaleza . 4 (5): E127–130. doi : 10.1038 / ncb0502-e127 . ISSN 1465-7392 . PMID 11988757 .
- ^ Vlastaridis, Panayotis; Kyriakidou, Pelagia; Chaliotis, Anargyros; de Peer, Yves Van; Oliver, Stephen G .; Amoutzias, Grigoris D. (7 de enero de 2017). "Estimación del número total de fosfoproteínas y sitios de fosforilación en proteomas eucariotas" . GigaScience . 6 (2): 1–11. doi : 10.1093 / gigascience / giw015 . ISSN 2047-217X . PMC 5466708 . PMID 28327990 .
- ^ a b Walker DG, Rao S (1964). "El papel de la glucoquinasa en la fosforilación de glucosa por hígado de rata" . Revista bioquímica . 90 (2): 360–8. doi : 10.1042 / bj0900360 . PMC 1202625 . PMID 5834248 .
- ^ a b Villar-Palasí, C .; Guinovart, JJ (1 de junio de 1997). "El papel de la glucosa 6-fosfato en el control de la glucógeno sintasa". El diario FASEB . 11 (7): 544–558. doi : 10.1096 / fasebj.11.7.9212078 . ISSN 0892-6638 .
- ^ Walker DG, Rao S (1964). "El papel de la glucoquinasa en la fosforilación de glucosa por hígado de rata" . Revista bioquímica . 90 (2): 360–368. doi : 10.1042 / bj0900360 . PMC 1202625 . PMID 5834248 .
- ^ "Regulación de la glucólisis" . cmgm.stanford.edu . Consultado el 18 de noviembre de 2017 .
- ^ Sharma, Saumya; Guthrie, Patrick H .; Chan, Suzanne S .; Haq, Syed; Taegtmeyer, Heinrich (1 de octubre de 2007). "La fosforilación de glucosa es necesaria para la señalización de mTOR dependiente de insulina en el corazón" . Investigación cardiovascular . 76 (1): 71–80. doi : 10.1016 / j.cardiores.2007.05.004 . ISSN 0008-6363 . PMC 2257479 . PMID 17553476 .
- ^ Capítulo 14: Glucólisis y catabolismo de hexosas .
- ^ Garrett, Reginald (1995). Bioquímica . Saunders College.
- ^ "Hexoquinasa - Reacción" . www.chem.uwec.edu . Consultado el 29 de julio de 2020 .
- ^ Maber, Jon. "Introducción a la glucólisis" . Consultado el 18 de noviembre de 2017 .
- ^ Fuhs SR, Hunter T (2017). "pHisforilación: la aparición de la fosforilación de histidina como una modificación reguladora reversible" . Curr Opin Cell Biol . 45 : 8-16. doi : 10.1016 / j.ceb.2016.12.010 . PMC 5482761 . PMID 28129587 .
- ^ Fuhs SR, Meisenhelder J, Aslanian A, Ma L, Zagorska A, Stankova M, Binnie A, Al-Obeidi F, Mauger J, Lemke G, Yates JR 3rd, Hunter T (2015). "Anticuerpos monoclonales de 1 y 3-fosfohistidina: nuevas herramientas para estudiar la fosforilación de histidina" . Celular . 162 (1): 198–210. doi : 10.1016 / j.cell.2015.05.046 . PMC 4491144 . PMID 26140597 .
- ^ 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). "La fosfoproteómica mediada por intercambio aniónico fuerte revela una fosforilación no canónica humana extensa" . EMBO J . 38 (21): e100847. doi : 10.15252 / embj.2018100847 . PMC 6826212 . PMID 31433507 .
- ^ González-Sánchez MB, Lanucara F, Hardman GE, Eyers CE (2014). "Transferencia de fosfato intermolecular en fase gaseosa dentro de un dímero de fosfopéptido de fosfohistidina" . Int J Mass Spectrom . 367 : 28–34. Código Bibliográfico : 2014IJMSp.367 ... 28G . doi : 10.1016 / j.ijms.2014.04.015 . PMC 4375673 . PMID 25844054 .
- ^ González-Sánchez MB, Lanucara F, Helm M, Eyers CE (2013). "Intentar reescribir la historia: desafíos con el análisis de péptidos fosforilados con histidina". Biochem Soc Trans . 41 (4): 1089–1095. doi : 10.1042 / bst20130072 . PMID 23863184 .
- ^ Hardman G, Perkins S, Ruan Z, Kannan N, Brownridge P, Byrne DP, Eyers PA, Jones AR, Eyers CE (2017). "Extensa fosforilación no canónica en células humanas revelada mediante fosfoproteómica mediada por intercambio aniónico fuerte". bioRxiv 10.1101 / 202820 .
enlaces externos
- Análisis funcionales para la fosforilación específica del sitio de una proteína diana en las células (Protocolo A)