Кіріспе

Фосфат тобының молекуладан алынып тасталатын биохимиялық процесі. Биохимияда дефосфорилирлеу – гидролиз арқылы органикалық қосылыстан фосфат (PO43−) тобының алынуы. Бұл қайтымды посттрансляциялық модификация. Дефосфорилирлеу және оған қарама-қарсы процесі – фосфорилирлеу ферменттерді фосфорлы эфирлер мен ангидридтерді қосу немесе ажырату арқылы белсендіреді және белсенділігін жояды. Дефосфорилирлеудің маңызды мысалы – АТФ-тың АДФ-қа және бейорганикалық фосфатқа айналуы. Дефосфорилирлеу эфир байланыстарын кесетін гидролиз ферменті немесе гидролазаның бір түрін пайдаланады. Дефосфорилирлеуде қолданылатын гидролазалардың маңызды кіші класы – фосфатаза, ол фосфор қышқылы моноэстерлерін фосфат ионына және бос гидроксил (OH) тобы бар молекулаға гидролиздеу арқылы фосфат топтарын жояды. Қайтымды фосфорилирлеу-дефосфорилирлеу реакциясы барлық физиологиялық процестерде жүзеге асады, сондықтан организмнің тірі қалуы үшін белок фосфатазаларының дұрыс жұмыс істеуі қажет. Белок дефосфорилирлеуі жасуша сигнализациясындағы маңызды процесс болғандықтан, белок фосфатазалары жүрек аурулары, қант диабеті және Альцгеймер ауруы сияқты аурулармен байланысты.

Тарих

Дефосфорилирлеудің ашылуы қоянның қаңқа бұлшық етінен бөліп алынған фосфорилаза ферментін зерттеуге арналған тәжірибелер сериясынан туындады. 1955 жылы Эдвин Кребс және Эдмонд Фишер радиоактивті белгіленген АТФ-ты пайдаланып, фосфорилилазаның серин қалдығына фосфат қосылып, оның b түрінен a түріне фосфорилирлеу арқылы өзгеретінін анықтады. Кейін Кребс пен Фишер бұл фосфорилирлеудің киназа каскадының бір бөлігі екенін көрсетті. Ақырында, ферменттің фосфорилденген түрін, яғни фосфорилаза a-ны қоян бауырынан тазартып алғаннан кейін, ион алмасу хроматографиясы арқылы фосфопротеин фосфатаза I және II анықталды. Осы дефосфорилирлейтін белоктарды ашқаннан бері, фосфорилирлеу мен дефосфорилирлеудің қайтымды табиғаты кең ауқымды функционалды белоктармен байланыстырылды, олардың көпшілігі ферменттік, бірақ ферменттік емес белоктар да бар. Эдвин Кребс пен Эдмонд Фишер 1992 жылы қайтымды белок фосфорилирлеуін ашқандары үшін физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығына ие болды.

Функция

Белгілі бір мақсатты белоктардағы серин, треонин және тирозин сияқты бейтарап, бірақ полярлы аминқышқылдарына жататын гидроксилдік топтардың фосфорилирленуі және дефосфорилирленуі – әрбір физиологиялық процестің реттелуінің маңызды бөлігі болып табылады. Фосфорилирлеу – АТФ-тағы альфа-фосфаттың гидроксилдегі оттекке нуклеофильді шабуыл жасауы арқылы гидроксилдің фосфат тобымен ковалентті модификациялануын қамтиды. Дефосфорилирлеу су молекуласын қосу арқылы гидратациялық реакция арқылы фосфат тобын алып тастауды және бастапқы фосфат тобын босату арқылы гидроксилді қайта жаңартуды қамтиды. Екі процесс те қайтымды және белокты белсенді ету немесе белсенділігін жоғалту үшін екі механизмнің кез келгенін қолдануға болады. Белоктың фосфорилирленуі көптеген биохимиялық әсерлерге алып келеді, мысалы, оның конформациясын өзгерту арқылы белгілі бір лигандқа байланысуын өзгерту және оның активтілігін арттыру немесе азайту. Фосфорилирлеу және дефосфорилирлеу құрылымдық белоктар, ферменттер, мембраналық каналдар, сигналдық молекулалар және басқа да киназалар мен фосфатазалар сияқты барлық типтегі субстраттарда қолданылуы мүмкін. Бұл процестердің жиынтығы фосфорреттеу деп аталады. Фосфорилирлеудің бұзылуы ауруларға әкелуі мүмкін.

Аудармадан кейінгі өзгертулер

Белоктардың синтезі кезінде рибосомалардың мРНҚ-ны аударған нәтижесінде пайда болатын полипептидтік тізбектер, толыққан конформацияны қабылдамас бұрын өңделуі тиіс. Белоктардың дефосфорилирленуі – бұл белоктың қызметін өзгерту механизмі, көбінесе ферментті белсендіру немесе белсендірмеу арқылы жүзеге асады. Белок синтезі аппаратының құрауыштар да фосфорилирлену және дефосфорилирлену процесінен өтеді, соның нәтижесінде белок синтезінің қарқыны реттеледі. Посттрансляциялық модификациялардың бір бөлігі ретінде серин, треонин немесе тирозиннен фосфат топтары алынып тасталуы мүмкін. Осылайша, жасуша ішіндегі сигналдардың берілу жолдары әртүрлі белоктардың тізбектей фосфорилирленуіне және дефосфорилирленуіне байланысты.

Басқа реакциялар

АТФ-тан басқа да молекулалар басқа биологиялық жүйелердің бір бөлігі ретінде дефосфорилирлеуге түседі. Дефосфорилирлеу нәтижесінде әртүрлі қосылыстар әртүрлі еркін энергия өзгерістерін тудырады, ал дефосфорилирлеу температураның өзгеруіне жауап ретінде пластикалық өзгерістерді қозғаушы күш ретінде қарастырылады. Фотосинтездік тилакоидтық мембраналарда белоктардың дефосфорилирлеуі жоғары температурада үдеп өтеді, бұл фотожүйе II кешеніндегі маңызды белоктардың дефосфорилирлеуіне тікелей әсер етеді.

Патология

Асқазан-ішек жолының мембраналық АТФ-азалары мен протондық сорғыларының шамадан тыс дефосфорилирленуі, коррозиялық пептикалық қышқылдардың жоғары секрециясына алып келеді. Бұл құрқыл және эзофагит тудырады. Helicobacter pylori инфекциясымен бірге, пептикалық ойық жара ауруы дефосфорилирлеудің шақыратын жоғары pH деңгейінен пайда болады. Альцгеймер ауруымен ауыратын науқастардың миынан оқшауланған микротубуламен байланысты тау ақуызы, қалыптан тыс гиперфосфорилирленген. Бұл тау ақуызындағы белгілі бір аминқышқылдарының дефосфорилирлеу механизмдерінің бұзылуына байланысты. Тау дефосфорилирлеуі 2А және 2В протеинфосфатазаларымен катализделеді. Альцгеймер ауруында таудың бұзық фосфорилирленуіне бір немесе екі ақуыздың жетіспеушілігі немесе модификациясы себеп болуы мүмкін.

Дефосфорилирлеу сонымен қатар жүрек ауруларымен, әсіресе жүрек соғуының негізгі күшін қамтамасыз ететін актин-миозин өзара әрекеттесуінің өзгеруімен байланысты. Дефосфорилирлеу – актин-миозин өзара әрекеттесуін тікелей бақылайтын миозин айналымының кинетикасының маңызды бөлігі. Дефосфорилирлеу процесі тоқтап қалғанда, кальцийге тәуелді жүрек жиырылуы бұзылады немесе толығымен тоқтатылады. Зерттеулер дефосфорилирлеуге енгізілген өзгерістердің қант диабетіне қатысты физиологиялық процестерге әсер ететінін көрсетті. Инсулин рецепторлық субстрат 1/2, Akt және ERK1/2 фосфопротеиндерінің дефосфорилирлеу кинетикасы инсулин рецепторына сигнал беруде қатысады және in vitro модельдер дефосфорилирлеу кинетикасының өзгеруінің инсулин стимуляциясының жоғары және төменгі деңгейлеріне әсер ететінін көрсетеді.

Ғылыми-зерттеу бағдарламалары

Дефосфорилирлеу молекулалық биологияда, әсіресе шектеу ферменттерін қолдана отырып клондауда маңызды рөл атқарады. Вектордың кесілген ұштары фосфорилирленгендіктен лигация кезеңінде қайтадан бірігуі мүмкін. Дефосфорилирлейтін фосфатаза қолдану арқылы қайтадан бірігудің алдын алуға болады. ДНК молекуласының 5' ұшындағы фосфат тобын жоятын сілтілік фосфатазалар көбінесе табиғи түрде, ең көп кездесетіні бұзау ішегінен алынады және CIP деп белгіленеді.

Эволюциялық күштердің негізі

Дефосфорилирлеуге қатысты табиғи іріктеудің күші жақсы түсінілмеген. Жақында жасалған зерттеуде интерферондық реттеуші факторлар (IRF) отбасынан, антивирустық иммундық жауап үшін өте маңызды отбасынан шыққан IRF9, адам түрінің эволюциясы барысында табиғи іріктеуге ұшырауы мүмкін екені анықталды. Адам IRF9-ның аминоқышқылы Val129 (NP 006075.3:p. Ser129Val) орнында оңтайлы іріктеу анықталды. Көне жағдай (Ser129) сүтқоректілер арасында сақталған, ал жаңа жағдай (Val129) шамамен 500,000 жыл бұрынғы "Африкадан шығу" оқиғасынан бұрын қалыптасқан. Бұл жаңа аминоқышқылы (Val129) IRF9-ның дефосфорилирлену орны болып табылуы мүмкін. Дефосфорилирлеу IRF9-ның иммундық активтілігіне әсер етуі мүмкін.