Введение

Биохимический процесс, в котором фосфатная группа удаляется из молекулы. В биохимии дефосфорилирование – это удаление фосфатной группы (PO43−) из органического соединения посредством гидролиза. Это обратимая посттрансляционная модификация. Дефосфорилирование и его противоположный процесс, фосфорилирование, активируют и деактивируют ферменты, отщепляя или присоединяя фосфорные эфиры и ангидриды. Ярким примером дефосфорилирования является превращение АТФ в АДФ и неорганический фосфат. Дефосфорилирование осуществляется гидролитическим ферментом, или гидролазой, который расщепляет сложноэфирные связи. Важным подклассом гидролаз, используемым в дефосфорилировании, является фосфатаза, которая удаляет фосфатные группы путем гидролиза моноэстеров фосфорной кислоты с образованием фосфат-иона и молекулы со свободной гидроксильной (OH) группой. Обратимая реакция фосфорилирования-дефосфорилирования происходит во всех физиологических процессах, что делает надлежащую функцию белковых фосфатаз необходимой для жизнеспособности организма. Поскольку дефосфорилирование белков является ключевым процессом в клеточной сигнализации, белковые фосфатазы вовлечены в развитие таких заболеваний, как болезни сердца, диабет и болезнь Альцгеймера.

История

Открытие дефосфорилирования произошло в результате серии экспериментов с ферментом фосфорилазой, выделенным из скелетной мускулатуры кролика. В 1955 году Эдвин Кребс и Эдмонд Фишер использовали радиоактивно меченый АТФ, чтобы установить, что фосфат присоединяется к сериновому остатку фосфорилазы, превращая ее из формы b в форму a посредством фосфорилирования. В дальнейшем Кребс и Фишер показали, что это фосфорилирование является частью каскада киназ. Наконец, после выделения фосфорилированной формы фермента, фосфорилазы a, из печени кролика, ионообменная хроматография была использована для идентификации фосфопротеинфосфатаз I и II. С момента открытия этих дефосфорилирующих белков обратимая природа фосфорилирования и дефосфорилирования была связана с широким спектром функциональных белков, преимущественно ферментативных, но также включающих и неферментативные белки. Эдвин Кребс и Эдмонд Фишер были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1992 году за открытие обратимого фосфорилирования белков.

Функция

Фосфорилирование и дефосфорилирование гидроксильных групп, принадлежащих нейтральным, но полярным аминокислотам, таким как серин, треонин и тирозин, в составе специфических белков-мишеней, является фундаментальной частью регуляции каждого физиологического процесса. Фосфорилирование включает ковалентное присоединение фосфатной группы к гидроксилу посредством нуклеофильной атаки альфа-фосфата АТФ на атом кислорода гидроксильной группы. Дефосфорилирование включает удаление фосфатной группы посредством реакции гидролиза с добавлением молекулы воды и высвобождением исходной фосфатной группы, восстанавливая гидроксил. Оба процесса обратимы, и любой из механизмов может использоваться для активации или инактивации белка. Фосфорилирование белка вызывает множество биохимических эффектов, например, изменение его конформации, что влияет на связывание с определенным лигандом и, как следствие, на его активность. Фосфорилирование и дефосфорилирование могут осуществляться на различных субстратах, таких как структурные белки, ферменты, мембранные каналы, сигнальные молекулы, а также другие киназы и фосфатазы. Совокупность этих процессов называется фосфорегуляцией. Нарушение фосфорилирования может приводить к развитию заболеваний.

Постпереводные модификации

Во время синтеза белков полипептидные цепи, создаваемые рибосомами при трансляции мРНК, должны быть обработаны, прежде чем принять устойчивую конформацию. Дефосфорилирование белков – это механизм, изменяющий функцию белка, часто посредством активации или инактивации фермента. Компоненты аппарата синтеза белка также подвергаются фосфорилированию и дефосфорилированию, тем самым регулируя скорость синтеза белка. В ходе посттрансляционных модификаций фосфатные группы могут удаляться из серина, треонина или тирозина. Следовательно, пути внутриклеточной передачи сигналов зависят от последовательного фосфорилирования и дефосфорилирования широкого спектра белков.

Другие реакции

Другие молекулы, помимо АТФ, также подвергаются дефосфорилированию в составе других биологических систем. Различные соединения приводят к разным изменениям свободной энергии в результате дефосфорилирования, а дефосфорилирование было связано с механизмом пластичности при адаптации к изменяющимся температурам. Ускоренное дефосфорилирование белков в фотосинтезирующих тилакоидных мембранах происходит при повышенных температурах и напрямую влияет на дефосфорилирование ключевых белков фотосистемы II.

Патология

Чрезмерная дефосфорилирование мембранных АТФаз и протонных насосов в желудочно-кишечном тракте приводит к увеличению секреции агрессивных пептических кислот. Это вызывает изжогу и эзофагит. В сочетании с инфекцией Helicobacter pylori, развитие язвенной болезни обусловлено повышенным pH, вызванным дефосфорилированием. При выделении из мозга пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера, белок тау, связанный с микротрубочками, аномально гиперфосфорилируется. Это связано с нарушением механизмов дефосфорилирования в определенных аминокислотах белка тау. Дефосфорилирование тау катализируется протеинфосфатазой 2A и протеинфосфатазой 2B. Дефицит или модификация одного или обоих белков может играть роль в аномальном фосфорилировании тау при болезни Альцгеймера.

Дефосфорилирование также связано с сердечными заболеваниями, в частности, с изменением взаимодействий актина и миозина, которые необходимы для обеспечения силы сердечных сокращений. Дефосфорилирование является ключевым компонентом кинетики цикла миозина, непосредственно контролирующей взаимодействия актина и миозина. При прерывании процесса дефосфорилирования кальций-зависимая сердечная сократимость нарушается или полностью блокируется. Исследования также показали, что изменения в дефосфорилировании влияют на физиологические процессы, связанные с сахарным диабетом. Кинетика дефосфорилирования субстратов инсулинового рецептора 1/2, Akt и ERK1/2, фосфопротеинов, вовлечена в передачу сигнала инсулинового рецептора, а модели in vitro демонстрируют, что изменения кинетики дефосфорилирования влияют на стимуляцию инсулином как выше, так и ниже по течению.

Исследовательские приложения

Дефосфорилирование может играть ключевую роль в молекулярной биологии, особенно в клонировании с использованием рестрикционных ферментов. Разрезанные концы вектора могут самолигироваться в процессе лигации из-за наличия фосфатных групп. Использование десфосфорилирующей фосфатазы позволяет избежать самолигирования. Алкальные фосфатазы, удаляющие фосфатную группу с 5'-конца молекулы ДНК, часто получают из природных источников, наиболее распространенным из которых является кишечник телят, и обозначаются аббревиатурой CIP.

Основные эволюционные силы

Сила естественного отбора, действующая на дефосфорилирование, изучена хуже. Недавнее исследование показало, что IRF9, принадлежащий к семейству регуляторных факторов интерферона (IRF) – критически важному семейству для противовирусного иммунного ответа – мог подвергаться влиянию естественного отбора в ходе эволюции человека. Положительный отбор был обнаружен в аминокислотном положении Val129 (NP 006075.3:p. Ser129Val) человеческого IRF9. Исходное состояние (Ser129) сохраняется у млекопитающих, тогда как новое состояние (Val129) закрепилось до миграции "из Африки" примерно 500 000 лет назад. Эта молодая аминокислота (Val129) потенциально может являться сайтом дефосфорилирования IRF9. Дефосфорилирование может влиять на иммунную активность IRF9.