Фосфорилирование - Phosphorylation

Серин в аминокислотной цепи до и после фосфорилирования.

В химия, фосфорилирование (к молекуле добавляется фосфатная группа) молекулы - это присоединение фосфорильная группа. Вместе со своим аналогом дефосфорилирование, (потерять молекулу) критично для многих клеточных процессов в биология. Фосфорилирование белков особенно важен для их функции; например, эта модификация активирует (или деактивирует) почти половину ферменты присутствует в Saccharomyces cerevisiae, тем самым регулируя их функцию.[1][2][3] Много белки (от 1/3 до 2/3 протеом в эукариоты[4][5]) фосфорилируются временно, как и многие сахара, липиды и другие биологически значимые молекулы.

Глюкоза

Фосфорилирование сахара часто бывает первым этапом в их катаболизм. Фосфорилирование позволяет клеткам накапливать сахара, поскольку фосфатная группа препятствует диффузии молекул обратно через их переносчик. Фосфорилирование глюкоза является ключевой реакцией в метаболизме сахара, потому что многие сахара сначала превращаются в глюкозу, прежде чем они метаболизируются дальше.

Химическое уравнение превращения D-глюкозы в D-глюкозо-6-фосфат на первом этапе гликолиз дан кем-то

D-глюкоза + АТФ → D-глюкозо-6-фосфат + АДФ
ΔG ° = -16,7 кДж / моль (° означает измерение при стандартных условиях)

Исследователь Д. Г. Уокер из Университета Бирмингема определил присутствие в печени взрослых морских свинок двух специфических ферментов, которые катализируют фосфорилирование глюкозы до глюкозо-6-фосфата.[сомнительный – обсудить] Два фермента были идентифицированы как специфическая глюкокиназа (АТФ-D-глюкозо-6-фосфотрансфераза) и неспецифическая гексокиназа (АТФ-D-гексозо-6-фосфотрансфераза).

Клетки печени свободно проницаемы для глюкозы, и начальная скорость фосфорилирования глюкозы является лимитирующим этапом метаболизма глюкозы печенью (АТФ-D-глюкозо-6-фосфотрансфераза) и неспецифической гексокиназой (АТФ-D-гексоза 6. -фосфотрансфераза).[6]

Роль глюкозо-6-фосфата в гликогенсинтазе: высокая концентрация глюкозы в крови вызывает повышение внутриклеточных уровней глюкозо-6-фосфата в печени, скелетных мышцах и жировой (жировой) ткани. (АТФ-D-глюкозо-6-фосфотрансфераза) и неспецифическая гексокиназа (АТФ-D-гексозо-6-фосфотрансфераза). В печень синтез гликогена напрямую зависит от концентрации глюкозы в крови и скелетная мышца и адипоциты, глюкоза оказывает незначительное влияние на гликогенсинтазу. Высокий уровень глюкозы в крови высвобождает инсулин, стимулируя перемещение определенных переносчиков глюкозы к клеточной мембране.[6][7]

Решающая роль печени в контроле концентрации сахара в крови путем расщепления глюкозы на углекислый газ и гликоген характеризуется отрицательным значением дельта G, что указывает на то, что это точка регулирования. Фермент гексокиназа имеет низкий Km, что указывает на высокое сродство к глюкозе, поэтому это начальное фосфорилирование может происходить даже при наноскопическом уровне глюкозы в крови.

Фосфорилирование глюкозы может быть усилено связыванием фруктозо-6-фосфата и уменьшено связыванием фруктозо-1-фосфата. Фруктоза, потребляемая с пищей, превращается в печени в F1P. Это сводит на нет действие F6P на глюкокиназу,[8] что в конечном итоге способствует прямой реакции. Способность клеток печени фосфорилировать фруктозу превышает способность метаболизировать фруктозо-1-фосфат. Избыток фруктозы в конечном итоге приводит к дисбалансу метаболизма печени, что косвенно истощает запасы АТФ в клетках печени.[9]

Аллостерическая активация глюкозо-6-фосфатом, который действует как эффектор, стимулирует гликогенсинтазу, а глюкозо-6-фосфат может ингибировать фосфорилирование гликогенсинтазы циклической AMP-стимулированной протеинкиназой.[7]

Фосфорилирование глюкозы является обязательным для процессов в организме. Например, фосфорилирование глюкозы необходимо для инсулинозависимой механистическая мишень рапамицина проводящая активность в сердце. Это также предполагает связь между промежуточным метаболизмом и сердечным ростом.[10]

Гликолиз

Основная статья: Гликолиз

Гликолиз - это важный процесс разложения глюкозы на две молекулы пируват через различные этапы с помощью разных ферментов. Это происходит в десять этапов и доказывает, что фосфорилирование является очень необходимым и необходимым этапом для получения конечных продуктов. Фосфорилирование инициирует реакцию в шаг 1 подготовительного шага [11] (первая половина гликолиза) и инициирует этап 6 фазы выплаты (вторая фаза гликолиза).[12]

Глюкоза по своей природе представляет собой небольшую молекулу, способную диффундировать внутрь и из клетки. Фосфорилируя глюкозу (добавляя фосфорильную группу для создания отрицательно заряженной фосфатная группа[13]), глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат и задерживается внутри клетки, поскольку клеточная мембрана заряжается отрицательно. Эта реакция происходит из-за фермента гексокиназы, фермента, который помогает фосфорилировать многие шестичленные кольцевые структуры. Глюкозо-6-фосфат не может проходить через клеточную мембрану и поэтому вынужден оставаться внутри клетки. Фосфорилирование происходит на этапе 3, где фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат. Эта реакция катализируется фосфофруктокиназой.

В то время как фосфорилирование осуществляется АТФ во время подготовительных этапов, фосфорилирование во время фазы выплаты поддерживается неорганическим фосфатом. Каждая молекула глицеральдегид-3-фосфата фосфорилируется с образованием 1,3-бисфосфоглицерата. Эта реакция катализируется GAPDH (глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа). Каскадный эффект фосфорилирования в конечном итоге вызывает нестабильность и позволяет ферментам открывать углеродные связи в глюкозе.

Фосфорилирование является чрезвычайно важным компонентом гликолиза, поскольку помогает в транспортировке, контроле и эффективности.[14]

Фосфорилирование белков

Основная статья: Фосфорилирование белков

Фосфорилирование белков считается самым распространенным посттрансляционная модификация у эукариот. Фосфорилирование может происходить на серин, треонин и тирозин боковые цепи (часто называемые `` остатками '') через фосфоэфирная связь формирование, на гистидин, лизин и аргинин через фосфорамидатные связи, и дальше аспарагиновая кислота и глютаминовая кислота через смешанный ангидридные связи. Недавние данные подтверждают широко распространенное фосфорилирование гистидина как по 1, так и по 3 атомам N имидазольного кольца.[15][16] Недавняя работа демонстрирует широко распространенное фосфорилирование человеческого белка по множеству неканонических аминокислот, включая мотивы, содержащие фосфорилированный гистидин, аспартат, глутамат, цистеин, аргинин и лизин в экстрактах клеток HeLa.[17] Однако из-за химической лабильности этих фосфорилированных остатков и в отличие от фосфорилирования Ser, Thr и Tyr, анализ фосфорилированного гистидина (и других неканонических аминокислот) с использованием стандартных биохимических и масс-спектрометрических подходов является гораздо более сложной задачей.[17][18][19] и для их сохранения наряду с классическим фосфорилированием Ser, Thr и Tyr требуются специальные процедуры и методы разделения.[20]

Видная роль фосфорилирования белков в биохимия иллюстрируется огромным количеством исследований, опубликованных по этой теме (по состоянию на март 2015 г. MEDLINE база данных возвращает более 240 000 статей, в основном на белок фосфорилирование).

АТФ

АТФ, «высокоэнергетическая» обменная среда в клетке, синтезируется в митохондрия добавлением третьей фосфатной группы к ADP в процессе, называемом окислительного фосфорилирования. АТФ также синтезируется фосфорилирование на уровне субстрата в течение гликолиз.ATP синтезируется за счет солнечной энергии фотофосфорилирование в хлоропласты растительных клеток.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Оливейра, Ана Паула; Зауэр, Уве (2012-03-01). «Важность посттрансляционных модификаций в регуляции метаболизма Saccharomyces cerevisiae». FEMS дрожжевые исследования. 12 (2): 104–117. Дои:10.1111 / j.1567-1364.2011.00765.x. ISSN  1567-1364. PMID  22128902.
  2. ^ Триподи, Фарида; Никастро, Рафаэле; Регеллин, Вероника; Кокчетти, Паола (01.04.2015). «Посттрансляционные модификации метаболизма углерода дрожжей: регуляторные механизмы вне контроля транскрипции». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Общие предметы. 1850 (4): 620–627. Дои:10.1016 / j.bbagen.2014.12.010. ISSN  0006-3002. PMID  25512067.
  3. ^ Властаридис, Панайотис; Папакириаку, Афанасиос; Халиотис, Анаргирос; Стратик, Эфстратиос; Оливер, Стивен Дж .; Амуциас, Григориос Д. (03.04.2017). «Ключевая роль фосфорилирования белка в контроле центрального метаболизма дрожжей». G3 (Бетесда, Мэриленд). 7 (4): 1239–1249. Дои:10.1534 / g3.116.037218. ISSN  2160-1836. ЧВК  5386872. PMID  28250014.
  4. ^ Коэн, Филипп (2002-05-01). «Истоки фосфорилирования белков». Природа клеточной биологии. 4 (5): E127–130. Дои:10.1038 / ncb0502-e127. ISSN  1465-7392. PMID  11988757.
  5. ^ Властаридис, Панайотис; Кириакиду, Пелагея; Халиотис, Анаргирос; де Пер, Ив Ван; Оливер, Стивен Дж .; Амуциас, Григорис Д. (07.01.2017). «Оценка общего количества фосфопротеинов и сайтов фосфорилирования в протеомах эукариот». GigaScience. 6 (2): 1–11. Дои:10.1093 / gigascience / giw015. ISSN  2047-217X. ЧВК  5466708. PMID  28327990.
  6. ^ а б Уокер Д. Г., Рао С. (1964). «Роль глюкокиназы в фосфорилировании глюкозы печенью крысы». Биохимический журнал. 90 (2): 360–8. Дои:10.1042 / bj0900360. ЧВК  1202625. PMID  5834248.
  7. ^ а б Виллар-Паласи, Ц .; Гуиноварт, Дж. Дж. (1 июня 1997 г.). «Роль глюкозо-6-фосфата в контроле гликогенсинтазы». Журнал FASEB. 11 (7): 544–558. Дои:10.1096 / fasebj.11.7.9212078. ISSN  0892-6638.
  8. ^ Уокер Д. Г., Рао С. (1964). «Роль глюкокиназы в фосфорилировании глюкозы печенью крысы». Биохимический журнал. 90 (2): 360–368. Дои:10.1042 / bj0900360. ЧВК  1202625. PMID  5834248.
  9. ^ «Регуляция гликолиза». cmgm.stanford.edu. Получено 2017-11-18.
  10. ^ Шарма, Саумья; Гатри, Патрик Х .; Чан, Сюзанна С .; Хак, Сайед; Таегтмайер, Генрих (01.10.2007). «Фосфорилирование глюкозы необходимо для инсулинозависимой передачи сигналов mTOR в сердце». Сердечно-сосудистые исследования. 76 (1): 71–80. Дои:10.1016 / j.cardiores.2007.05.004. ISSN  0008-6363. ЧВК  2257479. PMID  17553476.
  11. ^ Глава 14: Гликолиз и катаболизм гексоз.
  12. ^ Гарретт, Реджинальд (1995). Биохимия. Колледж Сондерса.
  13. ^ «Гексокиназа - реакция». www.chem.uwec.edu. Получено 2020-07-29.
  14. ^ Мейбер, Джон. «Введение в гликолиз». Получено 18 ноября 2017.
  15. ^ Фухс С.Р., Хантер Т. (2017). «pHисфорилирование: появление фосфорилирования гистидина как обратимой регуляторной модификации». Curr Opin Cell Biol. 45: 8–16. Дои:10.1016 / j.ceb.2016.12.010. ЧВК  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). «Моноклональные 1- и 3-фосфогистидиновые антитела: новые инструменты для изучения фосфорилирования гистидина». Ячейка. 162 (1): 198–210. Дои:10.1016 / j.cell.2015.05.046. ЧВК  4491144. PMID  26140597.
  17. ^ а б Хардман Дж., Перкинс С., Браунридж П.Дж., Кларк С.Дж., Бирн Д.П., Кэмпбелл А.Е., Калюжный А., Майалл А., Айерс П.А., Джонс А.Р., Айерс К.Э. (2019). «Сильная фосфопротеомика, опосредованная анионным обменом, выявляет обширное неканоническое фосфорилирование человека». EMBO J. 38 (21): e100847. Дои:10.15252 / embj.2018100847. ЧВК  6826212. PMID  31433507.
  18. ^ Гонсалес-Санчес MB, Lanucara F, Hardman GE, Eyers CE (2014). «Межмолекулярный перенос фосфата в газовой фазе в димере фосфогистидинфосфопептида». Int J масс-спектр. 367: 28–34. Bibcode:2014IJMSp.367 ... 28G. Дои:10.1016 / j.ijms.2014.04.015. ЧВК  4375673. PMID  25844054.
  19. ^ Гонсалес-Санчес МБ, Ланукара Ф, Хельм М., Эйерс CE (2013). «Попытка переписать историю: проблемы с анализом гистидин-фосфорилированных пептидов». Biochem Soc Trans. 41 (4): 1089–1095. Дои:10.1042 / bst20130072. PMID  23863184.
  20. ^ Хардман Дж., Перкинс С., Руан З., Каннан Н., Браунридж П., Бирн Д. П., Эйерс ПА, Джонс А. Р., Айерс К. Э. (2017). «Обширное неканоническое фосфорилирование в человеческих клетках выявлено с помощью фосфопротеомики, опосредованной сильным анионным обменом». bioRxiv  10.1101/202820.

внешние ссылки