การเติมและดึงหมู่ฟอสเฟต (Phosphorylation and Dephosphorylation)

การเติมและดึงหมู่ฟอสเฟตเป็นการเพิ่มและกำจัดหมู่ฟอสเฟตบนโปรตีนแบบผันกลับได้ ซึ่งเป็นรูปแบบการควบคุมหลังการแปลรหัสที่แพร่หลายที่สุดในเซลล์ยูคาริโอต โปรตีนไคเนสจะเชื่อมหมู่ฟอสเฟตจาก ATP เข้ากับกรดอะมิโนจำเพาะ และโปรตีนฟอสฟาเตสจะกำจัดออก ความสมดุลระหว่างกิจกรรมที่ตรงข้ามกันเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นสวิตช์โมเลกุลที่เปิดหรือปิดเอนไซม์และโปรตีนส่งสัญญาณ

Definition

การเติมหมู่ฟอสเฟต (Phosphorylation) คือการถ่ายโอนหมู่ฟอสเฟตโดยเอนไซม์ ซึ่งโดยปกติมาจาก ATP ไปยังหมู่เซอรีน (serine), ทรีโอนีน (threonine) หรือไทโรซีน (tyrosine) ของโปรตีนโดยไคเนส (kinase); การดึงหมู่ฟอสเฟต (dephosphorylation) คือการกำจัดหมู่ฟอสเฟตออกโดยฟอสฟาเตส (phosphatase) และวัฏจักรที่ผันกลับได้นี้จะควบคุมกิจกรรมของโปรตีนที่ได้รับการดัดแปลง

Scope

บทความนี้ครอบคลุมถึงเคมีของการเติมหมู่ฟอสเฟตในโปรตีน บทบาทของไคเนสและฟอสฟาเตส กรดอะมิโนที่ได้รับการดัดแปลง และวิธีการที่การเติมหมู่ฟอสเฟตแบบผันกลับได้ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ในการเผาผลาญและการส่งสัญญาณ เป็นหัวข้ออ้างอิงในการควบคุมเอนไซม์และไม่ได้ให้คำแนะนำทางคลินิกหรือการรักษา

Core questions

• การเพิ่มหมู่ฟอสเฟตเปลี่ยนแปลงกิจกรรมของเอนไซม์ได้อย่างไร?
• เหตุใดความสมดุลระหว่างไคเนส-ฟอสฟาเตส จึงเป็นตัวกำหนดสถานะการควบคุม แทนที่จะเป็นเพียงอย่างใดอย่างหนึ่ง?
• กรดอะมิโนชนิดใดบ้างที่ได้รับการเติมหมู่ฟอสเฟต และเหตุใดจึงมีความสำคัญ?
• การเติมหมู่ฟอสเฟตแบบผันกลับได้ส่งสัญญาณผ่านเซลล์ได้อย่างไร?

Key concepts

• โปรตีนไคเนสและการถ่ายโอนหมู่ฟอสเฟตที่ขึ้นกับ ATP
• โปรตีนฟอสฟาเตสและการกำจัดหมู่ฟอสเฟต
• การเติมหมู่ฟอสเฟตที่เซอรีน, ทรีโอนีน และไทโรซีน
• ความสมดุลระหว่างไคเนส-ฟอสฟาเตส
• น้ำตกการเติมหมู่ฟอสเฟตและการขยายสัญญาณ
• โดเมนการจับฟอสโฟเปปไทด์ (เช่น SH2)

Key theories

การเติมหมู่ฟอสเฟตแบบผันกลับได้ในฐานะสวิตช์ควบคุม

Krebs และ Beavo ได้สังเคราะห์หลักฐานที่แสดงว่าไคเนสและฟอสฟาเตสที่ตรงข้ามกันสร้างสวิตช์ที่ผันกลับได้ซึ่งควบคุมกิจกรรมของเอนไซม์ โดยกำหนดให้การเติมหมู่ฟอสเฟตเป็นหลักการควบคุมทั่วไปมากกว่ากรณีพิเศษ

Mechanisms

โปรตีนไคเนสจะเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนแกมมา-ฟอสเฟตของ ATP ไปยังหมู่ไฮดรอกซิลของหมู่เซอรีน, ทรีโอนีน หรือไทโรซีน ซึ่งเป็นการนำหมู่ที่มีขนาดใหญ่และมีประจุลบเข้ามา ทำให้โครงสร้างเฉพาะที่และสภาพไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไป การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและประจุนี้สามารถกระตุ้นหรือยับยั้งเอนไซม์เป้าหมาย หรือสร้างหรือทำลายพื้นผิวการจับสำหรับโปรตีนคู่ค้าได้ โมดูลพิเศษ เช่น โดเมน SH2 จะจดจำกรดอะมิโนที่มีหมู่ฟอสเฟตและประกอบเป็นเชิงซ้อนส่งสัญญาณ เนื่องจากเป็นการดัดแปลงที่ผันกลับได้ โปรตีนฟอสฟาเตสจึงกำจัดหมู่ฟอสเฟตออกและรีเซ็ตโปรตีน ดังนั้น การเติมหมู่ฟอสเฟตในสภาวะคงที่ของตำแหน่งใดๆ จึงสะท้อนถึงกิจกรรมสัมพัทธ์ของไคเนสและฟอสฟาเตสที่ตรงข้ามกัน เมื่อจัดเรียงตามลำดับ ไคเนสจะสร้างน้ำตก (cascades) ที่ขยายและรวมสัญญาณ จีโนมของมนุษย์เข้ารหัสไคเนสจำนวนมาก ซึ่งเน้นย้ำว่ากลไกนี้มีความสำคัญต่อการควบคุมเซลล์อย่างไร

Clinical relevance

การเติมหมู่ฟอสเฟตที่ผิดปกติเป็นหัวใจสำคัญของกลไกการเกิดโรคหลายชนิด และโปรตีนไคเนสเป็นหนึ่งในเป้าหมายยาที่ถูกศึกษามากที่สุด ดังนั้นหัวข้อนี้จึงเป็นพื้นฐานสำหรับชีวเคมีทางการแพทย์ บทความนี้อธิบายกลไกพื้นฐานเพื่อการอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษา

History

การค้นพบการเติมหมู่ฟอสเฟตในโปรตีนแบบผันกลับได้เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 โดย Krebs และ Fischer จากผลงานการกระตุ้นไกลโคเจนฟอสฟอริเลส ซึ่งต่อมาทั้งคู่ได้รับรางวัลโนเบลร่วมกัน บทความทบทวนของ Krebs และ Beavo ในปี 1979 ได้รวบรวมหลักการนี้ในเอนไซม์หลายชนิด และการรับรู้ถึงการเติมหมู่ฟอสเฟตที่ไทโรซีนได้ขยายขอบเขตไปสู่การเจริญเติบโตและการส่งสัญญาณ จากนั้น การจัดทำรายการคิโนมของมนุษย์ในปี 2002 โดย Manning และคณะ ได้ทำแผนที่ชุดโปรตีนไคเนสทั้งหมดของมนุษย์ ซึ่งเป็นกรอบสำหรับการศึกษาการควบคุมโดยอาศัยการเติมหมู่ฟอสเฟตในปัจจุบัน

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

เหตุใดการเติมหมู่ฟอสเฟตจึงถูกเรียกว่าเป็นการดัดแปลงที่ผันกลับได้?

เนื่องจากไคเนสเพิ่มหมู่ฟอสเฟตและฟอสฟาเตสสามารถกำจัดออกได้ โปรตีนเดียวกันจึงสามารถสลับไปมาระหว่างสถานะที่มีหมู่ฟอสเฟตและไม่มีหมู่ฟอสเฟตได้

กรดอะมิโนชนิดใดที่มักได้รับการเติมหมู่ฟอสเฟตมากที่สุด?

ในโปรตีนยูคาริโอต หมู่เซอรีน, ทรีโอนีน และไทโรซีน มักเป็นเป้าหมาย เนื่องจากหมู่ไฮดรอกซิลของพวกมันสามารถรับหมู่ฟอสเฟตที่ถูกถ่ายโอนได้