Una proteína fosfatasa es una enzima fosfatasa que elimina un grupo fosfato del residuo de aminoácido fosforilado de su proteína sustrato . La fosforilación de proteínas es una de las formas más comunes de modificación postraduccional de proteínas ( PTM ) reversible , con hasta un 30% de todas las proteínas fosforiladas en un momento dado. Proteína quinasas(PK) son los efectores de la fosforilación y catalizan la transferencia de un γ-fosfato del ATP a aminoácidos específicos en las proteínas. Existen varios cientos de PK en mamíferos y se clasifican en distintas superfamilias. Las proteínas se fosforilan predominantemente en los residuos de Ser, Thr y Tyr, que representan el 79,3, el 16,9 y el 3,8%, respectivamente, del fosfoproteoma, al menos en los mamíferos. Por el contrario, las proteínas fosfatasas (PP) son los efectores principales de la desfosforilación y se pueden agrupar en tres clases principales según la secuencia, la estructura y la función catalítica. La clase más grande de PP es la familia de la fosfoproteína fosfatasa (PPP) que comprende PP1, PP2A, PP2B, PP4, PP5, PP6 y PP7, y la proteína fosfatasa Mg 2+ - o Mn 2+-familia dependiente (PPM), compuesta principalmente por PP2C. La superfamilia de la proteína Tyr fosfatasa (PTP) forma el segundo grupo, [1] y la proteína fosfatasas basada en aspartato el tercero. Las pseudofosfatasas de proteínas forman parte de la familia más grande de las fosfatasas y, en la mayoría de los casos, se cree que son catalíticamente inertes y, en cambio, funcionan como proteínas de unión a fosfato, integradoras de señales o trampas subcelulares. Se conocen ejemplos de proteína fosfatasas que atraviesan la membrana que contienen dominios activos (fosfatasa) e inactivos (pseudofosfatasa) unidos en tándem, [1] conceptualmente similares a la estructura polipeptídica del dominio quinasa y pseudocinasa de las pseudocinasas JAK. [2] [3] Un análisis comparativo completo de las fosfatasas y pseudofosfatasas humanas ha sido completado por Manning y sus colegas, [4] formando una pieza complementaria al análisis innovador del kinoma humano, que codifica el conjunto completo de ~ 536 humanos proteína quinasas . [5]
Mecanismo
La fosforilación implica la transferencia de grupos fosfato del ATP a la enzima, cuya energía proviene de la hidrolización del ATP en ADP o AMP . Sin embargo, la desfosforilación libera fosfatos en solución como iones libres, porque unirlos nuevamente al ATP requeriría un aporte de energía.
Las fosfatasas dependientes de cisteína (CDP) catalizan la hidrólisis de un enlace fosfoéster a través de un intermedio fosfo-cisteína. [6]
El nucleófilo de cisteína libre forma un enlace con el átomo de fósforo del resto de fosfato, y el enlace PO que une el grupo fosfato a la tirosina se protona, ya sea por un residuo de aminoácido ácido adecuadamente posicionado (Asp en el diagrama a continuación) o una molécula de agua. . El intermedio de fosfo-cisteína se hidroliza luego por otra molécula de agua, regenerando así el sitio activo para otra reacción de desfosforilación.
Las metalo-fosfatasas (por ejemplo, PP2C) coordinan 2 iones metálicos catalíticamente esenciales dentro de su sitio activo. Actualmente existe cierta confusión sobre la identidad de estos iones metálicos, ya que sucesivos intentos de identificarlos arrojan diferentes respuestas. Actualmente existe evidencia de que estos metales podrían ser magnesio , manganeso , hierro , zinc o cualquier combinación de los mismos. Se cree que un ión hidroxilo que une los dos iones metálicos participa en el ataque nucleófilo sobre el ión fósforo .
Subtipos
Las fosfatasas se pueden subdividir en función de su especificidad de sustrato.
Clase | Ejemplo | Sustrato | Referencia |
---|---|---|---|
Fosfatasas específicas de tirosina | PTP1B | Fosfotirosina | [7] |
Fosfatasas específicas de serina / treonina | PP2C ( PPP2CA ) | Fosfoserina / treonina | [8] |
Fosfatasas de doble especificidad | VHR, DUSP1 - DUSP28 | Fosfotirosina / -serina / -treonina | [9] |
Histidina fosfatasa | PHP | Fosfohistidina | [10] |
Familias de serina / treonina PP (PPM / PPP)
Las proteínas Ser / Thr fosfatasas se clasificaron originalmente mediante ensayos bioquímicos como tipo 1 (PP1) o tipo 2 (PP2), y se subdividieron en función de los requisitos de iones metálicos (PP2A, sin iones metálicos; PP2B, estimulado con Ca 2+ ; PP2C, dependiente de Mg 2+ ) (Moorhead et al., 2007). Las proteínas Ser / Thr fosfatasas PP1, PP2A y PP2B de la familia PPP, junto con PP2C de la familia PPM, representan la mayor parte de la actividad Ser / Thr PP in vivo (Barford et al., 1998). En el cerebro, están presentes en diferentes compartimentos subcelulares en células neuronales y gliales y contribuyen a diferentes funciones neuronales.
PPM
La familia PPM, que incluye PP2C y piruvato deshidrogenasa fosfatasa, son enzimas con iones metálicos Mn 2+ / Mg 2+ que son resistentes a los inhibidores clásicos y toxinas de la familia PPP. A diferencia de la mayoría de los PPP, PP2C existe en una sola subunidad pero, al igual que los PTP, muestra una amplia variedad de dominios estructurales que confieren funciones únicas. Además, PP2C no parece estar relacionado evolutivamente con la familia principal de Ser / Thr PP y no tiene homología de secuencia con las enzimas PPP antiguas. El supuesto actual es que los PPM evolucionaron por separado de los PPP pero convergieron durante el desarrollo evolutivo.
Clase I: PTP basados en Cys
Los PTP de clase I constituyen la familia más grande. Contienen el conocido receptor clásico (a) y los PTP no receptores (b), que son estrictamente específicos de la tirosina, y los DSP (c) que se dirigen a Ser / Thr así como a Tyr y son los más diversos en términos de especificidad del sustrato.
Clase III: PTP basados en Cys
La tercera clase de PTP contiene tres reguladores del ciclo celular, CDC25A, CDC25B y CDC25C, que desfosforilan las CDK en su N-terminal, una reacción necesaria para impulsar la progresión del ciclo celular. Ellos mismos están regulados por fosforilación y se degradan en respuesta al daño del ADN para prevenir anomalías cromosómicas.
Clase IV: DSP basados en Asp
La superfamilia haloácido deshalogenasa (HAD) es otro grupo de PP que usa Asp como nucleófilo y recientemente se demostró que tiene especificidad dual. Estos PP pueden apuntar tanto a Ser como a Tyr, pero se cree que tienen una mayor especificidad hacia Tyr. Una subfamilia de HAD, la Familia Eyes Absent (Eya), también son factores de transcripción y, por lo tanto, pueden regular su propia fosforilación y la de los cofactores transcripcionales, y contribuir al control de la transcripción génica. La combinación de estas dos funciones en Eya revela una mayor complejidad del control de genes transcripcionales de lo que se pensaba anteriormente. Otro miembro de esta clase es la fosfatasa del dominio C-terminal de la ARN polimerasa II. Si bien esta familia sigue siendo poco conocida, se sabe que juega un papel importante en el desarrollo y la morfología nuclear.
Clasificación estructural alternativa
Muchas fosfatasas son promiscuas con respecto al tipo de sustrato o pueden evolucionar rápidamente para cambiar de sustrato. Una clasificación estructural alternativa [4] señala que 20 pliegues proteicos distintos tienen actividad fosfatasa, y 10 de ellos contienen fosfatasas proteicas.
- El pliegue CC1 es el más común e incluye familias específicas de tirosina (PTP), específicas de doble (DSP) e incluso específicas de lípidos (PTEN).
- Los principales pliegues específicos de serina / treonina son PPM (PP2C) y PPPL (PPP).
- Las únicas histidina fosfatasas conocidas se encuentran en el pliegue PHP.
- Otros pliegues codifican fosfatasas que actúan sobre diversas combinaciones de pSer, pThr, pTyr y sustratos no proteicos (CC2, CC3 , HAD , HP, AP , RTR1).
Relevancia fisiológica
Las fosfatasas actúan en oposición a las quinasas / fosforilasas , que añaden grupos fosfato a las proteínas. La adición de un grupo fosfato puede activar o desactivar una enzima (p. Ej., Vías de señalización de quinasas [11] ) o permitir que se produzca una interacción proteína-proteína (p. Ej., Dominios SH2 [12] ); por lo tanto, las fosfatasas son parte integral de muchas vías de transducción de señales. La adición y eliminación de fosfato no se corresponde necesariamente con la activación o inhibición de la enzima, y varias enzimas tienen sitios de fosforilación separados para activar o inhibir la regulación funcional. La CDK , por ejemplo, puede activarse o desactivarse dependiendo del residuo de aminoácido específico que se esté fosforilando. Los fosfatos son importantes en la transducción de señales porque regulan las proteínas a las que están unidos. Para revertir el efecto regulador, se elimina el fosfato. Esto ocurre por sí solo por hidrólisis o está mediado por proteínas fosfatasas. [ cita requerida ]
La fosforilación de proteínas juega un papel crucial en las funciones biológicas y controla casi todos los procesos celulares, incluido el metabolismo, la transcripción y traducción de genes, la progresión del ciclo celular, el reordenamiento del citoesqueleto, las interacciones proteína-proteína, la estabilidad de las proteínas, el movimiento celular y la apoptosis . Estos procesos dependen de las acciones altamente reguladas y opuestas de PK y PP, a través de cambios en la fosforilación de proteínas clave. La fosforilación de histonas, junto con la metilación, ubiquitinación, sumoilación y acetilación, también regula el acceso al ADN a través de la reorganización de la cromatina. [ cita requerida ]
Uno de los principales interruptores de la actividad neuronal es la activación de PK y PP por calcio intracelular elevado. El grado de activación de las diversas isoformas de PK y PP está controlado por sus sensibilidades individuales al calcio. Además, una amplia gama de inhibidores específicos y socios de orientación, como las proteínas de andamiaje, anclaje y adaptador, también contribuyen al control de las PK y las PP y las reclutan en complejos de señalización en las células neuronales. Dichos complejos de señalización actúan típicamente para acercar las PK y las PP a los sustratos diana y las moléculas de señalización, además de mejorar su selectividad al restringir la accesibilidad a estas proteínas de sustrato. Los eventos de fosforilación, por lo tanto, están controlados no solo por la actividad equilibrada de PK y PP, sino también por su localización restringida. Las subunidades y dominios reguladores sirven para restringir proteínas específicas a compartimentos subcelulares particulares y para modular la especificidad de la proteína. Estos reguladores son esenciales para mantener la acción coordinada de las cascadas de señalización, que en las células neuronales incluyen señalización a corto plazo (sináptica) y a largo plazo (nuclear). Estas funciones están, en parte, controladas por la modificación alostérica por mensajeros secundarios y la fosforilación de proteínas reversible. [ cita requerida ]
Se cree que alrededor del 30% de los PP conocidos están presentes en todos los tejidos, y el resto muestra algún nivel de restricción tisular. Si bien la fosforilación de proteínas es un mecanismo regulador de toda la célula, estudios proteómicos cuantitativos recientes han demostrado que la fosforilación se dirige preferentemente a proteínas nucleares. Muchos PP que regulan los eventos nucleares, a menudo están enriquecidos o están presentes exclusivamente en el núcleo. En las células neuronales, los PP están presentes en múltiples compartimentos celulares y juegan un papel crítico tanto en la pre y post sinapsis, en el citoplasma y en el núcleo donde regulan la expresión génica. [ cita requerida ]
La fosfoproteína fosfatasa es activada por la hormona insulina , lo que indica que hay una alta concentración de glucosa en la sangre . Luego, la enzima actúa para desfosforilar otras enzimas, como la fosforilasa quinasa , la glucógeno fosforilasa y la glucógeno sintasa . Esto conduce a que la fosforilasa quinasa y la glucógeno fosforilasa se vuelvan inactivas, mientras que la glucógeno sintasa se activa. Como resultado, la síntesis de glucógeno aumenta y la glucogenólisis disminuye, y el efecto neto es que la energía ingrese y se almacene dentro de la célula. [ cita requerida ]
Aprendizaje y Memoria
En el cerebro adulto, los PP son esenciales para las funciones sinápticas y están involucrados en la regulación negativa de funciones cerebrales de orden superior como el aprendizaje y la memoria. La desregulación de su actividad se ha relacionado con varios trastornos que incluyen el envejecimiento cognitivo y la neurodegeneración, así como el cáncer, la diabetes y la obesidad. [13]
Ejemplos de
Los genes humanos que codifican proteínas con actividad fosfoproteína fosfatasa incluyen:
Proteína serina / treonina fosfatasa
- PPP1CA , PPP1CB , PPP1CC , PPP2CA , PPP2CB , PPP3CA , PPP3CB , PPP3CC , PPP4C
- PPP5C , PPP6C
Proteína tirosina fosfatasa
- CDC14s: CDC14A , CDC14B , CDC14C , CDKN3
- Homólogos de fosfatasa y tensina: PTEN
- tirachinas: SSH1 , SSH2 , SSH3
Fosfatasa de doble especificidad
- Dusp1 , DUSP2 , dusp3 , DUSP4 , DUSP5 , dusp6 , DUSP7 , DUSP8 , DUSP9
- Dusp10 , DUSP11 , DUSP12 , DUSP13 , DUSP14 , DUSP15 , dusp16 , DUSP18 , DUSP19
- DUSP21 , dusp22 , DUSP23 , DUSP26 , DUSP27 , DUSP28
Desagrupado
- CTDP1
- CTDSP1 , CTDSP2 , CTDSPL
- ZOQUETE
- EPM2A
- ILKAP
- MDSP
- PGAM5
- PHLPP1 , PHLPP2
- PPEF1 , PPEF2
- PPM1A , ppm1b , PPM1D , PPM1E , PPM1F , PPM1G , PPM1H , PPM1J , PPM1K , PPM1L , PPM1M , PPM1N
- PPTC7
- PTPMT1
- SSU72
- UBLCP1
Referencias
- ↑ a b Tonks NK (noviembre de 2006). "Proteínas tirosina fosfatasas: de los genes, a la función, a la enfermedad". Reseñas de la naturaleza. Biología celular molecular . 7 (11): 833–46. doi : 10.1038 / nrm2039 . PMID 17057753 . S2CID 1302726 .
- ^ Reiterer V, Eyers PA, Farhan H (septiembre de 2014). "Día de muertos: pseudokinasas y pseudofosfatasas en fisiología y enfermedad". Tendencias en biología celular . 24 (9): 489–505. doi : 10.1016 / j.tcb.2014.03.008 . PMID 24818526 .
- ^ Mendrola JM, Shi F, Park JH, Lemmon MA (agosto de 2013). "Tirosina quinasas receptoras con dominios de pseudoquinasa intracelulares" . Transacciones de la sociedad bioquímica . 41 (4): 1029–36. doi : 10.1042 / BST20130104 . PMC 3777422 . PMID 23863174 .
- ^ a b Chen MJ, Dixon JE, Manning G (abril de 2017). "Genómica y evolución de las proteínas fosfatasas". Señalización científica . 10 (474): eaag1796. doi : 10.1126 / scisignal.aag1796 . PMID 28400531 . S2CID 41041971 .
- ^ Manning G, Whyte DB, Martinez R, Hunter T, Sudarsanam S (diciembre de 2002). "El complemento de la proteína quinasa del genoma humano". Ciencia . 298 (5600): 1912–34. Código bibliográfico : 2002Sci ... 298.1912M . doi : 10.1126 / science.1075762 . PMID 12471243 . S2CID 26554314 .
- ^ Barford D (noviembre de 1996). "Mecanismos moleculares de la proteína serina / treonina fosfatasas". Tendencias en Ciencias Bioquímicas . 21 (11): 407-12. doi : 10.1016 / S0968-0004 (96) 10060-8 . PMID 8987393 .
- ^ Zhang ZY (2002). "Proteínas tirosina fosfatasas: estructura y función, especificidad de sustrato y desarrollo de inhibidores". Revista anual de farmacología y toxicología . 42 : 209–34. doi : 10.1146 / annurev.pharmtox.42.083001.144616 . PMID 11807171 .
- ^ Mumby MC, Walter G (octubre de 1993). "Proteínas serina / treonina fosfatasas: estructura, regulación y funciones en el crecimiento celular". Revisiones fisiológicas . 73 (4): 673–99. doi : 10.1152 / physrev.1993.73.4.673 . PMID 8415923 .
- ^ Camps M, Nichols A, Arkinstall S (enero de 2000). "Fosfatasas de doble especificidad: una familia de genes para el control de la función MAP quinasa" . Revista FASEB . 14 (1): 6–16. doi : 10.1096 / fasebj.14.1.6 . PMID 10627275 . S2CID 17135681 .
- ^ Bäumer, Nicole; Mäurer, Anette; Krieglstein, Josef; Klumpp, Susanne (2006). "Expresión de la proteína histidina fosfatasa en Escherichia coli , purificación y determinación de la actividad enzimática". Protocolos de proteína fosfatasa . Métodos en Biología Molecular. 365 . págs. 247–260. doi : 10.1385 / 1-59745-267-X: 247 . ISBN 1-59745-267-X. PMID 17200567 .
- ^ Seger R, Krebs EG (junio de 1995). "La cascada de señalización MAPK" . Revista FASEB . 9 (9): 726–35. doi : 10.1096 / fasebj.9.9.7601337 . PMID 7601337 . S2CID 23298305 .
- ^ Ladbury JE (enero de 2007). "Medición de la formación de complejos en la transducción de señales mediada por tirosina quinasa" . Acta Crystallographica Sección D . 63 (Pt 1): 26–31. doi : 10.1107 / S0907444906046373 . PMC 2483503 . PMID 17164523 .
- ^ Knobler, Hilla; Elson, Ari (mayo de 2014). "Regulación metabólica por proteína tirosina fosfatasas" . Revista de Investigación Biomédica . 28 (3): 157-168. doi : 10.7555 / JBR.28.20140012 . ISSN 1674-8301 . PMC 4085553 . PMID 25013399 .