Fosforylace - Phosphorylation

Serine v aminokyselinovém řetězci před a po fosforylaci.

v chemie, fosforylace (k molekule je přidána fosfátová skupina) molekuly je připojení a fosforylová skupina. Spolu se svým protějškem defosforylace ((ztráta molekuly) je zásadní pro mnoho buněčných procesů v biologie. Fosforylace proteinů je zvláště důležité pro jejich funkci; například tato úprava aktivuje (nebo deaktivuje) téměř polovinu enzymy předložit Saccharomyces cerevisiae, čímž regulují jejich funkci.[1][2][3] Mnoho bílkoviny (mezi 1/3 až 2/3 proteom v eukaryoty[4][5]) jsou dočasně fosforylovány, stejně jako mnoho jiných cukry, lipidy a další biologicky relevantní molekuly.

Glukóza

Fosforylace cukry je často první fází jejich katabolismus. Fosforylace umožňuje buňkám akumulovat cukry, protože fosfátová skupina brání molekulám v difúzi zpět přes jejich transportér. Fosforylace glukóza je klíčovou reakcí v metabolismu cukrů, protože mnoho cukrů se nejprve přemění na glukózu, než se dále metabolizují.

Chemická rovnice pro převod D-glukózy na D-glukóza-6-fosfát v prvním kroku roku glykolýza darováno

D-glukóza + ATP → D-glukóza-6-fosfát + ADP
ΔG ° = −16,7 kJ / mol (° označuje měření za standardních podmínek)

Výzkumník D. G. Walker z University of Birmingham stanovil přítomnost dvou specifických enzymů v játrech dospělých morčat, které katalyzují fosforylaci glukózy na glukóza 6-fosfát.[pochybný – diskutovat] Dva enzymy byly identifikovány jako specifická glukokináza (ATP-D-glukóza-6-fosfotransferáza) a nespecifická hexokináza (ATP-D-hexóza-6-fosfotransferáza).

Jaterní buňky jsou volně propustné pro glukózu a počáteční rychlost fosforylace glukózy je krokem omezujícím rychlost metabolismu glukózy v játrech (ATP-D-glukóza 6-fosfotransferáza) a nespecifickou hexokinázou (ATP-D-hexóza 6 -fosfotransferáza).[6]

Úloha glukózo-6-fosfátu v glykogensyntáze: Vysoká koncentrace glukózy v krvi způsobuje zvýšení intracelulárních hladin glukózo-6-fosfátu v játrech, kosterním svalu a tukové (tukové) tkáni. (ATP-D-glukóza 6-fosfotransferáza) a nespecifickou hexokinázou (ATP-D-hexóza 6-fosfotransferáza). v játra, syntéza glykogenu přímo koreluje s koncentrací glukózy v krvi a v kosterní sval a adipocyty, glukóza má malý vliv na glykogen syntázu. Vysoká hladina glukózy v krvi uvolňuje inzulín a stimuluje translokaci specifických transportérů glukózy do buněčné membrány.[6][7]

Rozhodující role jater při kontrole koncentrací cukru v krvi štěpením glukózy na oxid uhličitý a glykogen je charakterizována negativní hodnotou delta G, což naznačuje, že se jedná o regulační bod. Enzym hexokinázy má nízkou Km, což naznačuje vysokou afinitu k glukóze, takže tato počáteční fosforylace může pokračovat, i když jsou hladiny glukózy v krvi v nanoskopickém měřítku.

Fosforylace glukózy může být zvýšena vazbou fruktóza-6-fosfátu a snížena vazbou fruktóza-1-fosfátu. Fruktóza spotřebovaná ve stravě se přeměňuje na F1P v játrech. To vylučuje působení F6P na glukokinázu,[8] což nakonec zvýhodňuje dopřednou reakci. Schopnost jaterních buněk fosforylovat fruktózu převyšuje kapacitu metabolizovat fruktóza-1-fosfát. Konzumace přebytečné fruktózy nakonec vede k nerovnováze v metabolismu jater, což nepřímo vyčerpá zásobu ATP jaterními buňkami.[9]

Alosterická aktivace glukózo-6-fosfátem, který působí jako efektor, stimuluje glykogensyntázu a glukóza-6-fosfát může inhibovat fosforylaci glykogensyntázy cyklickou proteinkinázou stimulovanou AMP.[7]

Fosforylace glukózy je v procesech v těle nezbytná. Například fosforylace glukózy je nezbytná pro inzulín-dependentní mechanický cíl rapamycinu aktivita dráhy v srdci. To dále naznačuje souvislost mezi intermediárním metabolizmem a růstem srdce.[10]

Glykolýza

Hlavní článek: Glykolýza

Glykolýza je základní proces degradace glukózy na dvě molekuly pyruvát pomocí různých kroků pomocí různých enzymů. Probíhá v deseti krocích a dokazuje, že fosforylace je velmi nutným a nezbytným krokem k dosažení konečných produktů. Reakce iniciuje fosforylace krok 1 přípravného kroku [11] (první polovina glykolýzy) a iniciuje krok 6 fáze výplaty (druhá fáze glykolýzy).[12]

Glukóza je ze své podstaty malá molekula se schopností difundovat dovnitř a ven z buňky. Fosforylací glukózy (přidáním fosforylové skupiny, aby se vytvořil záporně nabitý fosfátová skupina[13]) se glukóza převádí na glukóza-6-fosfát a zachycuje se v buňce, protože buněčná membrána je záporně nabitá. K této reakci dochází díky enzymu hexokináza, což je enzym, který pomáhá fosforylovat mnoho šestičlenných kruhových struktur. Glukóza-6-fosfát nemůže cestovat přes buněčnou membránu, a proto je nucen zůstat uvnitř buňky. Fosforylace probíhá v kroku 3, kdy se fruktóza-6-fosfát převede na fruktóza-1,6-bisfosfát. Tato reakce je katalyzována fosfofruktokinázou.

Zatímco fosforylace je prováděna ATP během přípravných kroků, fosforylace během fáze výplaty je udržována anorganickým fosfátem. Každá molekula glyceraldehyd-3-fosfátu je fosforylována za vzniku 1,3-bisfosfoglycerátu. Tato reakce je katalyzována GAPDH (glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza). Kaskádový účinek fosforylace nakonec způsobí nestabilitu a umožní enzymům otevřít uhlíkové vazby v glukóze.

Fosforylace funguje jako nesmírně důležitá složka glykolýzy, protože pomáhá při přepravě, kontrole a účinnosti.[14]

Fosforylace proteinů

Hlavní článek: Fosforylace proteinů

Fosforylace proteinů je považován za nejhojnější posttranslační modifikace v eukaryotech. Fosforylace může nastat serin, threonin a tyrosin postranní řetězce (často nazývané „zbytky“) fosfoesterová vazba formace, na histidin, lysin a arginin přes fosforamidátové vazby a dále kyselina asparagová a kyselina glutamová přes smíšené anhydridové vazby. Nedávné důkazy potvrzují rozsáhlou fosforylaci histidinu na 1 i 3 N-atomech imidazolového kruhu.[15][16] Nedávná práce ukazuje rozsáhlou fosforylaci lidských proteinů na více nekanonických aminokyselinách, včetně motivů obsahujících fosforylovaný histidin, aspartát, glutamát, cystein, arginin a lysin v buněčných extraktech HeLa.[17] Avšak vzhledem k chemické labilitě těchto fosforylovaných zbytků a ve výrazném kontrastu k fosforylaci Ser, Thr a Tyr je analýza fosforylovaného histidinu (a dalších nekanonických aminokyselin) pomocí standardních biochemických a hmotnostních spektrometrických přístupů mnohem náročnější[17][18][19] a jsou vyžadovány speciální postupy a separační techniky pro jejich konzervaci vedle klasické fosforylace Ser, Thr a Tyr.[20]

Prominentní role fosforylace bílkovin v biochemie je ilustrována obrovským množstvím studií publikovaných na toto téma (v březnu 2015 se MEDLINE databáze vrací více než 240 000 článků, většinou na protein fosforylace).

ATP

ATP „vysokoenergetické“ výměnné médium v ​​buňce je syntetizováno v mitochondrie přidáním třetí fosfátové skupiny k ADP v procesu označovaném jako oxidační fosforylace. ATP je také syntetizován fosforylace na úrovni substrátu v době glykolýza.ATP je syntetizován na úkor sluneční energie pomocí fotofosforylace v chloroplasty rostlinných buněk.

Viz také

Reference

  1. ^ Oliveira, Ana Paula; Sauer, Uwe (01.03.2012). „Význam posttranslačních modifikací při regulaci metabolismu Saccharomyces cerevisiae“. Výzkum kvasinek FEMS. 12 (2): 104–117. doi:10.1111 / j.1567-1364.2011.00765.x. ISSN  1567-1364. PMID  22128902.
  2. ^ Tripodi, Farida; Nicastro, Raffaele; Reghellin, Veronica; Coccetti, Paola (01.04.2015). „Posttranslační úpravy metabolismu uhlíku kvasinek: regulační mechanismy mimo kontrolu transkripce“. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Obecné předměty. 1850 (4): 620–627. doi:10.1016 / j.bbagen.2014.12.010. ISSN  0006-3002. PMID  25512067.
  3. ^ Vlastaridis, Panayotis; Papakyriakou, Athanasios; Chaliotis, Anargyros; Stratikos, Efstratios; Oliver, Stephen G .; Amoutzias, Grigorios D. (03.04.2017). „Stěžejní úloha fosforylace bílkovin při kontrole centrálního metabolismu kvasinek“. G3 (Bethesda, MD). 7 (4): 1239–1249. doi:10,1534 / g3,116,037218. ISSN  2160-1836. PMC  5386872. PMID  28250014.
  4. ^ Cohen, Philip (01.05.2002). "Počátky fosforylace bílkovin". Přírodní buněčná biologie. 4 (5): E127–130. doi:10.1038 / ncb0502-e127. ISSN  1465-7392. PMID  11988757.
  5. ^ Vlastaridis, Panayotis; Kyriakidou, Pelagia; Chaliotis, Anargyros; de Peer, Yves Van; Oliver, Stephen G .; Amoutzias, Grigoris D. (01.01.2017). „Odhad celkového počtu fosfoproteinů a fosforylačních míst v eukaryotických proteomech“. GigaScience. 6 (2): 1–11. doi:10.1093 / gigascience / giw015. ISSN  2047-217X. PMC  5466708. PMID  28327990.
  6. ^ A b Walker DG, Rao S (1964). „Role glukokinázy při fosforylaci glukózy játry potkana“. Biochemical Journal. 90 (2): 360–8. doi:10.1042 / bj0900360. PMC  1202625. PMID  5834248.
  7. ^ A b Villar-Palasí, C .; Guinovart, J. J. (1. června 1997). „Role glukózo-6-fosfátu při kontrole glykogensyntázy“. FASEB Journal. 11 (7): 544–558. doi:10.1096 / fasebj.11.7.9212078. ISSN  0892-6638.
  8. ^ Walker DG, Rao S (1964). „Role glukokinázy při fosforylaci glukózy játry potkana“. Biochemical Journal. 90 (2): 360–368. doi:10.1042 / bj0900360. PMC  1202625. PMID  5834248.
  9. ^ „Regulace glykolýzy“. cmgm.stanford.edu. Citováno 2017-11-18.
  10. ^ Sharma, Saumya; Guthrie, Patrick H .; Chan, Suzanne S .; Haq, Syed; Taegtmeyer, Heinrich (01.10.2007). „Fosforylace glukózy je nutná pro signalizaci mTOR závislou na inzulínu v srdci“. Kardiovaskulární výzkum. 76 (1): 71–80. doi:10.1016 / j.cardiores.2007.05.004. ISSN  0008-6363. PMC  2257479. PMID  17553476.
  11. ^ Kapitola 14: Glykolýza a katabolismus hexóz.
  12. ^ Garrett, Reginald (1995). Biochemie. Saunders College.
  13. ^ „Hexokináza - reakce“. www.chem.uwec.edu. Citováno 2020-07-29.
  14. ^ Maber, Jon. "Úvod do glykolýzy". Citováno 18. listopadu 2017.
  15. ^ Fuhs SR, Hunter T (2017). „pHisforylace: vznik histidinové fosforylace jako reverzibilní regulační modifikace“. Curr Opin Cell Biol. 45: 8–16. doi:10.1016 / j.ceb.2016.12.010. PMC  5482761. PMID  28129587.
  16. ^ 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). „Monoklonální 1- a 3-fosfohistidinové protilátky: nové nástroje ke studiu histidinové fosforylace“. Buňka. 162 (1): 198–210. doi:10.1016 / j.cell.2015.05.046. PMC  4491144. PMID  26140597.
  17. ^ 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). „Silná fosfoproteomika zprostředkovaná výměnou aniontů odhaluje rozsáhlou nekanonickou fosforylaci člověka“. EMBO J.. 38 (21): e100847. doi:10.15252 / embj.2018100847. PMC  6826212. PMID  31433507.
  18. ^ Gonzalez-Sanchez MB, Lanucara F, Hardman GE, Eyers CE (2014). „Přenos intermolekulárního fosfátu v plynné fázi v dimeru fosfohistidinu a fosfopeptidu“. Hmotnostní spektrum Int J. 367: 28–34. Bibcode:2014 IJMSp.367 ... 28G. doi:10.1016 / j.ijms.2014.04.015. PMC  4375673. PMID  25844054.
  19. ^ Gonzalez-Sanchez MB, Lanucara F, Helm M, Eyers CE (2013). "Pokus o přepsání historie: výzvy s analýzou histidin-fosforylovaných peptidů". Biochem Soc Trans. 41 (4): 1089–1095. doi:10.1042 / bst20130072. PMID  23863184.
  20. ^ Hardman G, Perkins S, Ruan Z, Kannan N, Brownridge P, Byrne DP, Eyers PA, Jones AR, Eyers CE (2017). „Rozsáhlá nekanonická fosforylace v lidských buňkách byla odhalena pomocí fosfoproteomiky zprostředkované silnou aniontovou výměnou“. bioRxiv  10.1101/202820.

externí odkazy