Фосфорилирование и дефосфорилирование

Фосфорилирование и дефосфорилирование — это обратимое присоединение и удаление фосфатных групп на белках, наиболее распространенная форма посттрансляционного контроля в эукариотических клетках. Протеинкиназы присоединяют фосфат из АТФ к специфическим аминокислотным остаткам, а протеинфосфатазы удаляют его; баланс между этими противоположными активностями действует как молекулярный переключатель, который включает или выключает ферменты и сигнальные белки.

Definition

Фосфорилирование — это катализируемый ферментом перенос фосфатной группы, обычно из АТФ, на остаток серина, треонина или тирозина белка с помощью киназы; дефосфорилирование — это ее удаление фосфатазой, и обратимый цикл регулирует активность модифицированного белка.

Scope

Эта статья охватывает химию фосфорилирования белков, роли киназ и фосфатаз, модифицируемые остатки и то, как обратимое фосфорилирование служит переключателем в метаболизме и передаче сигналов. Это справочная тема в регуляции ферментов и не содержит клинических или терапевтических инструкций.

Core questions

• Как добавление фосфатной группы изменяет активность фермента?
• Почему именно баланс киназа-фосфатаза, а не каждый из них по отдельности, определяет регуляторное состояние?
• Какие аминокислотные остатки фосфорилируются и почему это важно?
• Как обратимое фосфорилирование распространяет сигналы по клетке?

Key concepts

• Протеинкиназы и АТФ-зависимый перенос фосфата
• Протеинфосфатазы и удаление фосфата
• Фосфорилирование серина, треонина и тирозина
• Баланс киназа-фосфатаза
• Каскады фосфорилирования и усиление сигнала
• Домены, связывающие фосфопептиды (например, SH2)

Key theories

Обратимое фосфорилирование как регуляторный переключатель

Кребс и Биво обобщили данные, свидетельствующие о том, что противодействующие киназы и фосфатазы создают обратимый переключатель, контролирующий активность ферментов, устанавливая фосфорилирование как общий регуляторный принцип, а не как частный случай.

Mechanisms

Протеинкиназа катализирует перенос гамма-фосфата АТФ на гидроксильную группу остатка серина, треонина или тирозина, вводя объемную, отрицательно заряженную группу, которая изменяет локальную структуру и электростатику. Это конформационное и зарядовое изменение может активировать или инактивировать целевой фермент, а также создавать или разрушать поверхность связывания для белков-партнеров; специализированные модули, такие как домены SH2, распознают фосфорилированные остатки и тем самым собирают сигнальные комплексы. Поскольку модификация обратима, протеинфосфатазы удаляют фосфат и возвращают белок в исходное состояние, поэтому стационарное фосфорилирование любого сайта отражает относительную активность противодействующих киназы и фосфатазы. Расположенные последовательно, киназы образуют каскады, которые усиливают и интегрируют сигналы. Геном человека кодирует большой набор киназ, что подчеркивает центральную роль этого механизма в клеточной регуляции.

Clinical relevance

Нарушенное фосфорилирование лежит в основе многих патологических процессов, и протеинкиназы являются одними из наиболее активно исследуемых мишеней для лекарственных препаратов, поэтому эта тема является фундаментальной для биохимии в медицине. Эта статья описывает основной механизм для справки и не является основанием для принятия диагностических или лечебных решений.

History

Обратимое фосфорилирование белков было открыто в 1950-х годах Кребсом и Фишером в ходе их работы по активации гликогенфосфорилазы, за что они впоследствии разделили Нобелевскую премию. Обзор Кребса и Биво 1979 года закрепил этот принцип для многих ферментов, а признание фосфорилирования тирозина расширило его до роста и передачи сигналов. Каталогизация человеческого кинома Мэннингом и коллегами в 2002 году затем картировала полный набор человеческих протеинкиназ, заложив основу современного изучения регуляции, основанной на фосфорилировании.

Key figures

• Edwin Krebs
• Edmond Fischer
• Tony Hunter
• Gerard Manning

Seminal works

• krebs-beavo-1979
• hunter-1995
• manning-2002

Frequently asked questions

Почему фосфорилирование называют обратимой модификацией?

Поскольку киназа добавляет фосфатную группу, а фосфатаза может ее удалить, один и тот же белок может переключаться между фосфорилированным и дефосфорилированным состояниями.

Какие аминокислоты чаще всего фосфорилируются?

В эукариотических белках обычными мишенями являются остатки серина, треонина и тирозина, поскольку их гидроксильные группы могут принимать перенесенный фосфат.