Desfosforilación

A desfosforilación é a retirada dun grupo fosfato dun composto orgánico por hidrólise. É unha modificación postraducional cuxo oposto é a adición de grupos fosfato ou fosforilación. A desfosforilación é un proceso moi regulado, que activa e dasactiva encimas ao clivar os ésteres fosfóricos e anhídridos. Un exemplo importante de desfosforilación é a conversión da ATP en ADP e fosfoato inorgánico.

A desfosforilación utiliza un tipo de encimas hidrolíticos ou hidrolases, que clivan os enlaces éster. Unha importante subclase de hirolases usada nas desfoforilacións é a das fosfatases. As fosfatases retiran grupos fosfato ao hidrolizaren monoésteres de ácido fosfórico dando un ión fosfato libre e unha molécula cun grupo hidroxilo (OH) libre.

A reacción de fosforilación-desfosforilación reversible ocorre practicamente en todos os procesos fisiolóxicos, facendo que funcionen debidamente as proteínas fosfatadas necesarias para a viabilidade do organismo. Como a desfosforilación das proteínas é un proceso clave implicado na sinalización celular, as proteín fosfatases están implicadas en condicións médicas como as doenzas cardíacas, diabetes, e enfermidade de Alzheimer.

Historia

O descubrimento da desfosforilación foi o resultado dunha serie de experimentos que estudaron o encima fosforilase illado do músculo esquelético de coello. En 1955, Edwin Krebs e Edmond Fischer utilizaron ATP marcado radioactivamente para determinar que cando se engadía fosfato por fosforilación ao residuo de serina da fosforilase esta convertíase da súa forma b á forma a.^[1] Despois, Krebs e Fischer demostraron que esta fosforilación forma parte dunha fervenza de quinases. Finalmente, despois de purificaren a forma fosforilada do encima, que é a fosforilase a, do fígado de coello, utiizando cromatografía de intercambio iónico identificaron as fosfoproteín fosfatases I e II.^[2]

Desde o descubrimento destas proteínas desfosforilantes, a natureza reversible da fosforilación e desfsforilación foi asociada cunha ampla gama de prteínas funcionais, principalmente encimáticas, pero tamén algunhas non encimáticas.^[3] Edwin Krebs e Edmond Fischer gañaron o Premio Nobel de Medicina de 1992 polo descubrimento da fosforilación reversible de proteínas.^[4]

Función

Estrutura cristalográfica da PTEN (fosfatase humana e homólogo da tensina). O centro activo móstrase en amarelo, o dominio N-terminal fosfatase en azul, e o dominio C2 C-terminal en vermello.^[5]

A fosforilación e desfosforilación de grupos hidroxilo pertencentes a aminoácidos neutros pero polares como a serina, treonina, e tirosina de proteínas diana específicas é unha parte fundamental da regulación dos procesos fisiolóxicos. A fosforilación implica a modificación covalente do hidroxilo cun grupo fosfato por medio do ataque nucleofílico do fosfato alfa do ATP polo oxíxeno do hidroxilo. A desfosforilacón implica quitar grupos fosfato por medio dnha reacción de hidratación por adición dunha molécula de auga e a liberación dun grupo fosfato orixinal, redxenerando o hidroxilo. Ambos os procesos son reversibles e ambos os mecanismos poden usarse para activar ou desactivar unha proteína. A fosforilación dunha proteína produce moitos efectos bioquímicas, como cambiar a súa conformación para alterar a súa unión a un ligando específico e incrementar ou reducir a súa actividade. A fosforilación e desfosforilación poden utilizarse en todos os tipos de substratos, como proteínas estruturais, encimas, canais de membrana, moléculas de sinaización, e outras quinases e fosfatases. A suma destes procesos denomínase fosforregulación.^[6] A desregulación da fosforilación pode orixinar doenzas.^[7]

Modificación postraducional

Durante a síntese de proteinas, as cadeas polipeptídicas, que se forman pola tradución nos ribosomas de ARNm, deben ser procesadas antes de asumir unha conformación madura. A desfosforilación de proteínas é un mecanismo para a modificación do comportamento dunha proteína, xeralmente ao activar ou inactivar un encima. Compoñentes do aparato sintético de proteínas tamén sofren fosforilación e desfosforilación e isto regula a velocidade de síntese proteica.^[8]

Como parte das modificacións postraducionais, poden quitarse grupos fosfato da serina, treonina, ou tirosina. As vías da transdución de sinais intracelular dependen da fosforilación e desfosforilación secuencial dunha ampla variedade de proteínas.

ATP

ATP4− + H2O → ADP3− + HPO42− + H+

A adenosina trifosfato, ou ATP, actúa como unha "moeda" de enerxía libre en todos os organismos vivos. Esta molécula, nunha reacción de desfosforilación espontánea, libera 30,5 kJ/mol, que se empregan para impulsar reaccións celulares. En conxunto, as reaccións en principio non espontáneas acopladas á desfosforilación do ATP fanse espontáneas, debido ao cambio de enerxía libre relativo da reacción acoplada. O ATP é desfosforilado a ADP e fosfato inorgánico.^[9]

A nivel celular, a desfosforilación de ATPases determina o fluxo de ións dentro e fóra da célula. Os inhibidores da bomba de protóns son un tipo de fármacos que actúan directamente sobre as ATPases do tracto gastrointestinal.

A desfosforilación noutras reaccións

Ademais do ATP, outras moléculas sofren desfosforilacións como parte doutros sistemas biolóxicos. Diferentes compostos producen diferentes cambios de enerxía libre como resultado da desfosforilación.^[10]

Molécula	Cambio de enerxía libre
Acetil fosfato	47,3 kJ/mol
Glicosa 6-fosfato	13,8 kJ/mol
Fosfoenolpiruvato (PEP)	-61,9 kJ/mo
Fosfocreatina	43,1 kJ/mo

A psilocibina tamén depende da desfosforilación para ser metabolizada en psilocina e despois eliminada.

Importancia da desfosforilación no fotosistema II

O primeiro complexo formado por proteínas e pigmentos da fase luminosa da fotosíntese denomínase fotosistema II. O complexo captura fotóns de luz, proporcionando electróns necesarios para que na fortosíntese se produza máis tarde ATP (fotofosforilación). O fotosistema II é especialmente sensible á temperatura,^[11] e a desfosforilación impulsa a plasticidade na resposta a variacións de temperatura. A desfosforilación de proteínas acelérase a elevadas temperaturas nas proteínas do centro de reacción do complexo do fotosistema II, o que protexe á planta.^[12]

Papel da desfosforilación en doenzas

Patoloxía

Unha desfosforilación excesiva das ATPases de membrana e das bombas de protóns do tracto gastrointestinal orixina unha secreción elevada de ácidos pépticos. Isto orixina ardores de estómago e esofaxite. As úlceras pépticas orixínanse polo pH extremo que orixina a desfosforilación en combinación cunha infección por Helicobacter pylori.^[13]

A proteína asociada a microtúbulos tau está anormalmente hiperfosforilada cando se illa do cerebro de pacientes da enfermidade de Alzheimer. Isto débese á disfunción dos mecanismos da desfosforilación en aminoácidos específicos da proteína tau. A desfosforilación de tau está catalizada pola proteín fosfatase-2A e proteín fosfatase-2B. A deficiencia ou modificación dunha ou varias proteínas pode estar implicada na fosforilación anormal das proteínas tau no alzéimer.^[14]

A desfosforilación tamén está ligada con doenzas cardíacas, especialmente a alteración de interaccións actina-miosina, que son claves para proporcionar a forza necesaria para o latexo cardíaco. A desfosforilación é unha parte fundamental da cinética do ciclo da miosina que controla directamente as interaccións actina-miosina. Cando se interrompe o proceso de desfosforilación, a contracción cardíaca dependente de calcio está alterada ou completamente inactivada.^[15]

Algunhas investigacións tamén indican que as modificacións da desfosforilación inflúen en procesos fisiolóxicos envolvidos na diabetes mellitus. A cinética da desfosforilación das fosfoproteínas substrato-1/2 do receptor da insulina, Akt, e ERK1/2 está implicada na sinalización do receptor da insulina, e os modelos in vitro demostran que os cambios na cinética da desfosforilación inflúen na estimulación da insulina augas arriba e augas abaixo da fervenza de reaccións.^[16]

Tratamentos

A inhibición da bomba de protóns^[13] fai diminuír significativamente a acidez do tracto gastrointestinal, reducindo os síntomas de enfermidades relacionadas coa acidez. O cambio resultante no pH fai diminuír a supervivencia da bacteria H. pylori, unha causa principal das úlceras a pépticas. Unha vez que o inhibidor da bomba de protóns erradica esta bacteria do estómago (para o cal poden ser necesarios tamén tratamentos con antibióticos), revértese o refluxo erosivo. O tratamento das enfermidades cardíacas mellorou co uso de fármacos que inhiben a AMPK por medio de desfosforilación.^[17] No tratamento do diabetes, o fármaco sulfonilurea pode estimular a desfosforilación do transportador de glicosa GLUT4, diminuíndo así a resistencia á insulina e aumentando a utilización de glicosa.^[18]

Aplicacións en investigación

A desfosforilación xoga un papel clave en bioloxía molecular, especialmente na clonación usando encimas de restrición. Os extremos cortados dun vector de clonación poden volverse a unir durante o paso de ligación debido á fosforilación. Pode evitarse que estes extremos se volvan a unir usando unha fosfatase desfosforilante.^[19] Estas fosfatases alcalinas utilizadas proceden xeralmente do intestino de tenreira, e denomínanse abreviadamente CIP (Calf-intestinal alkaline phosphatase, fosfatase alcalina de intestino de tenreira).^[20]