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Fosforilación de proteínas

Modelo de un residuo de serina fosforilado.
Serina en una cadena de aminoácidos, antes y después de la fosforilación.

La fosforilación de proteínas es una modificación postraduccional reversible de proteínas en la que una proteína quinasa fosforila un residuo de aminoácido mediante la adición de un grupo fosfato unido covalentemente. La fosforilación altera la conformación estructural de una proteína, provocando que se active, desactive o modifique de otro modo su función. [1] Aproximadamente 13.000 proteínas humanas tienen sitios fosforilados. [2]

La reacción inversa de la fosforilación se llama desfosforilación y está catalizada por proteínas fosfatasas . Las proteínas quinasas y fosfatasas funcionan de forma independiente y en equilibrio para regular la función de las proteínas. [3]

Los aminoácidos más comúnmente fosforilados son serina , treonina , tirosina e histidina . [4] [5] Estas fosforilaciones desempeñan funciones importantes y bien caracterizadas en las vías de señalización y el metabolismo. Sin embargo, también se pueden fosforilar postraduccionalmente otros aminoácidos, incluida la arginina , la lisina , el ácido aspártico , el ácido glutámico y la cisteína , y se ha identificado que estos aminoácidos fosforilados están presentes en extractos de células humanas y en células humanas fijadas utilizando una combinación de anticuerpos. Análisis basado en (para pHis) y espectrometría de masas (para todos los demás aminoácidos). [5] [6] [7] [8]

La fosforilación de proteínas fue reportada por primera vez en 1906 por Phoebus Levene en el Instituto Rockefeller de Investigación Médica con el descubrimiento de la vitelina fosforilada . [9] Sin embargo, pasaron casi 50 años hasta que se descubrió la fosforilación enzimática de proteínas mediante proteínas quinasas. [10]

Historia

En 1906, Phoebus Levene en el Instituto Rockefeller de Investigación Médica identificó fosfato en la proteína vitelina (fosvitina) [9] y en 1933 había detectado fosfoserina en caseína , con Fritz Lipmann. [11] Sin embargo, pasaron otros 20 años antes de que Eugene P. Kennedy describiera la primera "fosforilación enzimática de proteínas". [10] La primera enzima fosforilasa fue descubierta por Carl y Gerty Cori a finales de la década de 1930. Carl y Gerty Cori encontraron dos formas de glucógeno fosforilasa a las que llamaron A y B, pero no entendieron correctamente el mecanismo de conversión de la forma B a la forma A. La interconversión de fosforilasa b en fosforilasa a fue descrita más tarde por Edmond Fischer y Edwin Krebs , así como por Wosilait y Sutherland , implicando un mecanismo de fosforilación/desfosforilación. [12] Se descubrió que se necesitaba una enzima, llamada fosforilasa quinasa y Mg-ATP, para fosforilar la glucógeno fosforilasa ayudando en la transferencia del grupo γ-fosforilo del ATP a un residuo de serina en la fosforilasa b. La proteína fosfatasa 1 es capaz de catalizar la desfosforilación de enzimas fosforiladas eliminando el grupo fosfato. Earl Sutherland explicó en 1950 que la actividad de la fosforilasa aumentaba y, por tanto, se estimulaba la glucogenólisis cuando se incubaban cortes de hígado con adrenalina y glucagón. La fosforilación se consideró un mecanismo de control específico para una vía metabólica hasta la década de 1970, cuando Lester Reed descubrió que el complejo mitocondrial de piruvato deshidrogenasa se inactivaba mediante fosforilación. También en la década de 1970, se acuñó el término fosforilación multisitio en respuesta al descubrimiento de proteínas que son fosforiladas en dos o más residuos por dos o más quinasas. En 1975, se demostró que las proteínas quinasas dependientes de AMPc fosforilan residuos de serina en motivos de secuencia de aminoácidos específicos. Ray Erikson descubrió que v-Src era una quinasa y Tony Hunter descubrió que v-Src fosforilaba residuos de tirosina en proteínas en la década de 1970. [13] A principios de 1980, se determinó la secuencia de aminoácidos de la primera proteína quinasa, lo que ayudó a los genetistas a comprender las funciones de los genes reguladores. A finales de los 80 y principios de los 90, se purificó la primera proteína tirosina fosfatasa (PTP1B) y se logró el descubrimiento, así como la clonación de las JAK quinasas , lo que llevó a muchos en la comunidad científica a denominar los años 90 como la década de la proteína quinasa. cascadas. [14][15] Edmond Fischer y Edwin Krebs recibieron el premio Nobel en 1992 "por sus descubrimientos sobre la fosforilación reversible de proteínas como mecanismo regulador biológico". [dieciséis]

Abundancia

La fosforilación reversible de proteínas es abundante tanto en organismos procarióticos como aún más en eucariotas . [17] [18] [19] [20] Por ejemplo, en las bacterias se cree que entre el 5 y el 10% de todas las proteínas están fosforiladas. [21] [22] Por el contrario, se estima que un tercio de todas las proteínas humanas se fosforila en cualquier momento, con 230.000, 156.000 y 40.000 sitios de fosforilación únicos existentes en humanos, ratones y levaduras, respectivamente. [2] En la levadura, alrededor de 120 quinasas (de un total de ~6000 proteínas) causan 8814 eventos de fosforilación regulados conocidos, generando alrededor de 3600 fosfoproteínas (aproximadamente el 60 % de todas las proteínas de la levadura). [23] [24] Por lo tanto, la fosforilación es un mecanismo regulador universal que afecta a una gran parte de las proteínas. Incluso si una proteína no está fosforilada en sí misma, sus interacciones con otras proteínas pueden estar reguladas por la fosforilación de estas proteínas que interactúan.

Mecanismos y funciones de la fosforilación.

La fosforilación introduce un grupo cargado e hidrofílico en la cadena lateral de los aminoácidos, posiblemente cambiando la estructura de una proteína al alterar las interacciones con los aminoácidos cercanos. Algunas proteínas, como la p53 , contienen múltiples sitios de fosforilación, lo que facilita una regulación compleja y multinivel. Debido a la facilidad con la que las proteínas se pueden fosforilar y desfosforilar, este tipo de modificación es un mecanismo flexible para que las células respondan a señales externas y condiciones ambientales. [25]

Las quinasas fosforilan proteínas y las fosfatasas desfosforilan proteínas. Muchas enzimas y receptores se "activan" o "desactivan" mediante la fosforilación y desfosforilación. La fosforilación reversible da como resultado un cambio conformacional en la estructura de muchas enzimas y receptores , lo que hace que se activen o desactiven. La fosforilación suele ocurrir en residuos de serina , treonina , tirosina e histidina en proteínas eucariotas. La fosforilación de histidina de proteínas eucariotas parece ser mucho más frecuente que la fosforilación de tirosina. [26] En las proteínas procariotas, la fosforilación se produce en los residuos de serina, treonina, tirosina, histidina, arginina o lisina. [17] [18] [26] [27] La ​​adición de una molécula de fosfato (PO 4 3- ) a un grupo R no polar de un residuo de aminoácido puede convertir una porción hidrófoba de una proteína en una porción polar y extremadamente hidrófila. porción de una molécula. De esta manera, la dinámica de las proteínas puede inducir un cambio conformacional en la estructura de la proteína mediante alosterio de largo alcance con otros residuos hidrófobos e hidrófilos de la proteína.

Un ejemplo del papel regulador que desempeña la fosforilación es la proteína supresora de tumores p53 . La proteína p53 está fuertemente regulada [28] y contiene más de 18 sitios de fosforilación diferentes. La activación de p53 puede provocar la detención del ciclo celular, que puede revertirse en algunas circunstancias, o la muerte celular por apoptosis. [29] Esta actividad ocurre sólo en situaciones en las que la célula está dañada o la fisiología está alterada en individuos normales y sanos.

Tras la señal de desactivación, la proteína se desfosforila nuevamente y deja de funcionar. [30] [ cita necesaria ] Este es el mecanismo en muchas formas de transducción de señales , por ejemplo, la forma en que la luz entrante se procesa en las células sensibles a la luz de la retina .

Las funciones reguladoras de la fosforilación incluyen:

Transporte de membrana

Degradación de proteínas

Regulación enzimática (activación e inhibición)

Interacciones proteína-proteína

Redes de señalización

Aclarar los eventos de fosforilación de vías de señalización complejas puede resultar difícil. En las vías de señalización celular, la proteína A fosforila la proteína B y la B fosforila la C. Sin embargo, en otra vía de señalización, la proteína D fosforila la proteína A o fosforila la proteína C. Enfoques globales como la fosfoproteómica , el estudio de las proteínas fosforiladas, que es una sub- La rama de la proteómica , combinada con la proteómica basada en espectrometría de masas , se ha utilizado para identificar y cuantificar cambios dinámicos en proteínas fosforiladas a lo largo del tiempo. Estas técnicas son cada vez más importantes para el análisis sistemático de redes complejas de fosforilación. [39] Se han utilizado con éxito para identificar cambios dinámicos en el estado de fosforilación de más de 6.000 sitios después de la estimulación con factor de crecimiento epidérmico . [40] Otro enfoque para comprender la red de fosforilación es medir las interacciones genéticas entre múltiples proteínas fosforilantes y sus objetivos. Esto revela interesantes patrones recurrentes de interacciones: motivos de red. [41] Se han desarrollado métodos computacionales para modelar redes de fosforilación [42] [43] y predecir sus respuestas bajo diferentes perturbaciones. [44]

Fosforilación de histonas.

El ADN eucariota está organizado con proteínas histonas en complejos específicos llamados cromatina. La estructura de la cromatina funciona y facilita el empaquetado, organización y distribución del ADN eucariota. Sin embargo, tiene un impacto negativo en varios procesos biológicos fundamentales, como la transcripción, la replicación y la reparación del ADN, al restringir la accesibilidad de determinadas enzimas y proteínas. Se ha demostrado que la modificación postraduccional de histonas, como la fosforilación de histonas, modifica la estructura de la cromatina cambiando las interacciones proteína:ADN o proteína:proteína. [45] Las modificaciones postraduccionales de las histonas modifican la estructura de la cromatina. La fosforilación de histonas más comúnmente asociada ocurre durante las respuestas celulares al daño del ADN, cuando la histona H2A fosforilada separa grandes dominios de cromatina alrededor del sitio de rotura del ADN. [46] Los investigadores investigaron si las modificaciones de las histonas impactan directamente en la transcripción dirigida por la ARN polimerasa II. Los investigadores eligen proteínas que se sabe que modifican las histonas para probar sus efectos sobre la transcripción y descubrieron que la quinasa inducida por el estrés, MSK1, inhibe la síntesis de ARN. La inhibición de la transcripción por MSK1 fue más sensible cuando la plantilla estaba en cromatina, ya que las plantillas de ADN que no estaban en cromatina eran resistentes a los efectos de MSK1. Se demostró que MSK1 fosforiló la histona H2A en la serina 1, y la mutación de la serina 1 a alanina bloqueó la inhibición de la transcripción por parte de MSK1. Así, los resultados sugirieron que la acetilación de histonas puede estimular la transcripción al suprimir una fosforilación inhibidora por una quinasa como MSK1. [47]

Quinasas

Dentro de una proteína, la fosforilación puede ocurrir en varios aminoácidos . Se cree que la fosforilación en serina es la más común, seguida de la treonina. La fosforilación de tirosina es relativamente rara, pero se encuentra a la cabeza de muchas vías de señalización de fosforilación de proteínas (p. ej., en receptores unidos a tirosina quinasa) en la mayoría de los eucariotas. La fosforilación de aminoácidos, como serina, treonina y tirosina, da como resultado la formación de una fosfoproteína, cuando el grupo fosfato de la fosfoproteína reacciona con el grupo -OH de una cadena lateral Ser, Thr o Tyr en una reacción de esterificación . [48] ​​Sin embargo, dado que las proteínas fosforiladas en tirosina son relativamente fáciles de purificar usando anticuerpos , los sitios de fosforilación de tirosina se conocen relativamente bien. La fosforilación de histidina y aspartato ocurre en procariotas como parte de la señalización de dos componentes y, en algunos casos, en eucariotas en algunas vías de transducción de señales. El análisis de histidina fosforilada mediante enfoques bioquímicos y espectrométricos de masas estándar es mucho más desafiante que el de Ser, Thr o Tyr. [49] [7] [5] y [50] En procariotas, arqueas y algunos eucariotas inferiores, el nitrógeno de la histidina actúa como nucleófilo y se une a un grupo fosfato. [51] Una vez que la histidina se fosforila, el dominio regulador del regulador de respuesta cataliza la transferencia del fosfato al aspartato.

Receptor tirosina quinasa

El receptor tirosina quinasa AXL, que muestra la simetría de los receptores dimerizados.

Si bien la fosforilación de tirosina se encuentra en abundancia relativamente baja, está bien estudiada debido a la facilidad de purificación de la fosfotirosina utilizando anticuerpos. Los receptores tirosina quinasas son una familia importante de receptores de superficie celular implicados en la transducción de señales extracelulares como hormonas, factores de crecimiento y citocinas. La unión de un ligando a un receptor tirosina quinasa monomérico estabiliza las interacciones entre dos monómeros para formar un dímero , después de lo cual los dos receptores unidos fosforilan los residuos de tirosina en trans . La fosforilación y activación del receptor activa una vía de señalización a través de actividad enzimática e interacciones con proteínas adaptadoras. [52] La señalización a través del receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR) , un receptor tirosina quinasa, es fundamental para el desarrollo de múltiples sistemas de órganos, incluidos la piel, los pulmones, el corazón y el cerebro. En muchos cánceres humanos se encuentra una señalización excesiva a través de la vía EGFR. [53]

Quinasas dependientes de ciclina

Las quinasas dependientes de ciclina (CDK) son serina-treonina quinasas que regulan la progresión a través del ciclo celular eucariota . Las CDK son catalíticamente activas sólo cuando se unen a una ciclina reguladora . Las células animales contienen al menos nueve CDK distintas que se unen a varias ciclinas con considerable especificidad. Los inhibidores de CDK (CKI) bloquean la actividad quinasa en el complejo ciclina-CDK para detener el ciclo celular en G1 o en respuesta a señales ambientales o daños en el ADN. La actividad de diferentes CDK activa vías de señalización celular y factores de transcripción que regulan eventos clave en la mitosis, como la transición de fase G1/S. Los complejos ciclina-CDK anteriores proporcionan la señal para activar los complejos ciclina-CDK posteriores. [54]

Sitios

Hay miles de sitios de fosforilación distintos en una célula determinada desde:

  1. Hay miles de proteínas en cualquier célula en particular.
  2. Se estima que entre 1/10 y 1/2 de las proteínas están fosforiladas en algún estado celular.
  3. Entre el 30 y el 65% de las proteínas de los seres humanos y aproximadamente el 50% de las proteínas de la levadura pueden estar fosforiladas. [15] [2]
  4. Se estima que existen 230.000, 156.000 y 40.000 sitios de fosforilación en humanos, ratones y levaduras, respectivamente. [2]
  5. La fosforilación a menudo ocurre en múltiples sitios distintos de una proteína determinada.

Dado que la fosforilación de cualquier sitio de una proteína determinada puede cambiar la función o localización de esa proteína, comprender el "estado" de una célula requiere conocer el estado de fosforilación de sus proteínas. Por ejemplo, generalmente, si el aminoácido Serina-473 de la proteína AKT está fosforilado, AKT es funcionalmente activo como quinasa, y si no está fosforilado, AKT es una quinasa inactiva.

Los sitios de fosforilación son cruciales para las proteínas y su transporte y funciones. Son la modificación covalente de proteínas mediante fosforilación reversible. Esto permite que las proteínas permanezcan dentro de una célula, ya que el sitio fosforilado negativo impide su permeabilidad a través de la membrana celular. La desfosforilación de proteínas permite que la célula reponga fosfatos mediante la liberación de pirofosfatos , lo que ahorra el uso de ATP en la célula. [55] Un ejemplo de enzima fosforilante se encuentra en la bacteria E. coli . Posee fosfatasa alcalina en la región periplásmica de su membrana. La membrana más externa es permeable a las moléculas fosforiladas, sin embargo, la membrana citoplasmática interna es impermeable debido a las grandes cargas negativas. [56] De esta manera, la bacteria E. coli almacena proteínas y pirofosfatos en su membrana periplásmica hasta que cualquiera de ellos sea necesario dentro de la célula.

Los avances recientes en la identificación fosfoproteómica han dado lugar al descubrimiento de innumerables sitios de fosforilación en proteínas. Esto requirió un medio integrador para datos accesibles en el que se organicen los sitios de fosforilación conocidos de proteínas. Se creó una base de datos curada de dbPAF que contiene sitios de fosforilación conocidos en H. sapiens , M. musculus , R. norvegicus , D. melanogaster , C. elegans , S. pombe y S. cerevisiae . La base de datos contiene actualmente 294.370 sitios de fosforilación no redundantes de 40.432 proteínas. [57] Otras herramientas de predicción de la fosforilación en proteínas incluyen NetPhos [58] para eucariotas, NetPhosBac [58] para bacterias y ViralPhos [59] para virus.

Serina y treonina

Existe una gran variedad de residuos de serina y la fosforilación de cada residuo puede tener diferentes consecuencias metabólicas.

Se sabe que la fosforilación de residuos de serina y treonina interfiere con la modificación O -GlcNAc de residuos de serina y treonina.

tirosina

La fosforilación de tirosina es una reacción rápida y reversible y uno de los principales mecanismos reguladores en la transducción de señales . El crecimiento celular , la diferenciación , la migración y la homeostasis metabólica son procesos celulares mantenidos por la fosforilación de tirosina. La función de las proteínas tirosina quinasas y la proteína tirosina fosfatasa contrarresta el nivel de fosfotirosina en cualquier proteína. El mal funcionamiento de cadenas específicas de proteína tirosina quinasas y proteína tirosina fosfatasa se ha relacionado con múltiples enfermedades humanas como la obesidad , la resistencia a la insulina y la diabetes mellitus tipo 2 . [64] La fosforilación de la tirosina ocurre en eucariotas, especies bacterianas seleccionadas y está presente entre procariotas. La fosforilación de la tirosina mantiene la regulación celular en las bacterias de manera similar a su función en los eucariotas. [sesenta y cinco]

arginina

"La fosforilación de arginina en muchas bacterias Gram positivas marca las proteínas para su degradación por una proteasa Clp ". [34]

Fosforilación no canónica de His, Asp, Cys, Glu, Arg y Lys en células humanas

La fosforilación generalizada de proteínas humanas se produce en múltiples aminoácidos no canónicos, incluidos motivos que contienen histidina fosforilada (posiciones 1 y 3), aspartato, cisteína, glutamato, arginina y lisina en extractos de células HeLa. Debido a la labilidad química y térmica de estos residuos fosforilados, se requieren procedimientos y técnicas de separación especiales para su conservación junto con la fosforilación "clásica" termoestable de Ser, Thr y Tyr. [66]

Detección y caracterización

Los anticuerpos pueden usarse como una herramienta poderosa para detectar si una proteína está fosforilada en un sitio particular. Los anticuerpos se unen y detectan cambios conformacionales en la proteína inducidos por la fosforilación. Estos anticuerpos se denominan anticuerpos fosfoespecíficos; cientos de estos anticuerpos están ahora disponibles. Se están convirtiendo en reactivos críticos tanto para la investigación básica como para el diagnóstico clínico.

Ejemplo de modificación postraduccional detectada en un gel 2D (límites de puntos delimitados por software de análisis, identificación por espectrometría de masas, P46462 es la identificación de la proteína en Expasy)

Las isoformas de modificación postraduccional (PTM) se detectan fácilmente en geles 2D . De hecho, la fosforilación reemplaza los grupos hidroxilo neutros en serinas, treoninas o tirosinas con fosfatos cargados negativamente con pK cercanas a 1,2 y 6,5. Así, por debajo de un pH de 5,5, los fosfatos añaden una única carga negativa; cerca del pH 6,5, añaden 1,5 cargas negativas; por encima de pH 7,5, añaden 2 cargas negativas. La cantidad relativa de cada isoforma también se puede determinar fácil y rápidamente a partir de la intensidad de la tinción en geles 2D.

En algunos casos muy específicos, la detección de la fosforilación como un cambio en la movilidad electroforética de la proteína es posible en geles SDS-PAGE unidimensionales simples, como lo describen, por ejemplo, para un coactivador transcripcional Kovacs et al. [67] Se cree que los fuertes cambios conformacionales relacionados con la fosforilación (que persisten en soluciones que contienen detergentes) subyacen a este fenómeno. La mayoría de los sitios de fosforilación para los cuales se ha descrito tal cambio de movilidad caen en la categoría de sitios SP y TP (es decir, un residuo de prolina sigue al residuo de serina o treonina fosforilada).

Se han utilizado análisis de espectrometría de masas a gran escala para determinar los sitios de fosforilación de proteínas. Se han publicado decenas de estudios, cada uno de los cuales identifica miles de sitios, muchos de los cuales no habían sido descritos anteriormente. [68] [69] La espectrometría de masas es ideal para tales análisis utilizando fragmentación de HCD o ETD , ya que la adición de fosforilación da como resultado un aumento en la masa de la proteína y el residuo fosforilado. Para estos estudios se necesitan espectrómetros de masas avanzados y de alta precisión, lo que limita la tecnología a laboratorios con espectrómetros de masas de alta gama. Sin embargo, el análisis de péptidos fosforilados mediante espectrometría de masas todavía no es tan sencillo como el de los péptidos "normales" no modificados. EThcD se ha desarrollado combinando la transferencia de electrones y la disociación por colisión de mayor energía. En comparación con los métodos de fragmentación habituales, el esquema EThcD proporciona espectros MS/MS más informativos para una localización inequívoca de fosfositos. [70]

Una caracterización detallada de los sitios de fosforilación es muy difícil, y la cuantificación de la fosforilación de proteínas mediante espectrometría de masas requiere enfoques de estándares internos isotópicos. [71] Se puede obtener una cuantificación relativa con una variedad de tecnologías de etiquetado diferencial de isótopos. [72] También existen varios métodos cuantitativos de fosforilación de proteínas, incluidos inmunoensayos de fluorescencia, termoforesis a microescala , FRET , TRF, polarización de fluorescencia, extinción de fluorescencia, cambio de movilidad, detección basada en perlas y formatos basados ​​en células. [73] [74]

Evolución

La fosforilación de proteínas es común en todos los clados de vida, incluidos todos los animales, plantas, hongos, bacterias y arqueas. Los orígenes de los mecanismos de fosforilación de proteínas son ancestrales y han divergido mucho entre diferentes especies. En eucariotas, se estima que entre el 30 y el 65% de todas las proteínas pueden estar fosforiladas, con decenas o incluso cientos de miles de sitios de fosforilación distintos. [75] [2] Algunos sitios de fosforilación parecen haber evolucionado como interruptores de "apagado" condicionales, bloqueando el sitio activo de una enzima, como en la enzima metabólica procariótica isocitrato deshidrogenasa. Sin embargo, en el caso de las proteínas que deben ser fosforiladas para ser activas, no está tan claro cómo pudieron haber surgido de ancestros no fosforilados. Se ha demostrado que un subconjunto de serina fosfositos a menudo se reemplazan por residuos ácidos como aspartato y glutamato entre diferentes especies. Estos residuos aniónicos pueden interactuar con residuos catiónicos como la lisina y la arginina para formar puentes salinos , interacciones estables no covalentes que alteran la estructura de una proteína. Estos fosfositos a menudo participan en puentes salinos, lo que sugiere que algunos sitios de fosforilación evolucionaron como interruptores condicionales de "encendido" para puentes salinos, lo que permite que estas proteínas adopten una conformación activa sólo en respuesta a una señal específica. [76]

Hay alrededor de 600 proteínas quinasas eucariotas conocidas, lo que las convierte en una de las familias de genes eucariotas más grandes. La mayor parte de la fosforilación la lleva a cabo una única superfamilia de proteínas quinasas que comparten un dominio quinasa conservado. La fosforilación de proteínas está altamente conservada en vías fundamentales para la supervivencia celular, como la progresión del ciclo celular que depende de las quinasas dependientes de ciclina (CDK), pero los sitios de fosforilación individuales suelen ser flexibles. Los objetivos de la fosforilación de CDK a menudo tienen fosfositos en segmentos desordenados , que se encuentran en ubicaciones no idénticas incluso en especies cercanas. Por el contrario, los objetivos de la fosforilación de CDK en regiones estructuralmente definidas están más conservados. Si bien la actividad de CDK es crítica para el crecimiento y la supervivencia celular en todos los eucariotas, sólo muy pocos fosfositos muestran una fuerte conservación de sus posiciones precisas. Es probable que el posicionamiento sea muy importante para los fosfatos que regulan alostéricamente la estructura de las proteínas, pero mucho más flexible para los fosfatos que interactúan con dominios de unión a fosfopéptidos para reclutar proteínas reguladoras. [77]

Comparaciones entre eucariotas y procariotas

La fosforilación de proteínas es una modificación postraduccional reversible de las proteínas. En eucariotas, la fosforilación de proteínas funciona en la señalización celular, la expresión genética y la diferenciación. También participa en la replicación del ADN durante el ciclo celular y en los mecanismos que hacen frente a los bloqueos de replicación inducidos por el estrés. En comparación con los eucariotas, los procariotas utilizan quinasas y fosfatasas de tipo Hanks para la transducción de señales. Aún no está claro si la fosforilación de proteínas en bacterias también puede regular procesos como la reparación o replicación del ADN. [78]

En comparación con la fosforilación de proteínas de procariotas, los estudios de fosforilación de proteínas en eucariotas desde levaduras hasta células humanas han sido bastante extensos. Se sabe que los eucariotas dependen de la fosforilación del grupo hidroxilo en las cadenas laterales de serina, treonina y tirosina para la señalización celular. Estas son las principales modificaciones reguladoras postraduccionales en las células eucariotas, pero la fosforilación de proteínas de los procariotas se estudia con menos intensidad. Mientras que la serina, la treonina y la tirosina están fosforiladas en eucariotas, la histidina y el aspartato están fosforiladas en procariotas y eucariotas. En las bacterias, la fosforilación de histidina se produce en los sistemas de fosfotransferasa dependientes de fosfoenolpiruvato (PTS), que participan en el proceso de internalización y fosforilación de azúcares. [79]

La fosforilación de proteínas por la proteína quinasa se demostró por primera vez en E. coli y Salmonella typhimurium y desde entonces se ha demostrado en muchas otras células bacterianas. [80] Se descubrió que las bacterias utilizan la fosforilación de histidina y aspartato como modelo para la transducción de señales bacterianas. La fosforilación de serina, treonina y tirosina también está presente en las bacterias. Las bacterias transportan quinasas y fosfatasas similares a las de su equivalente eucariota y también han desarrollado quinasas y fosfatasas únicas que no se encuentran en los eucariotas. [79]

Patología

La fosforilación anormal de proteínas se ha implicado en una serie de enfermedades, incluido el cáncer , la enfermedad de Alzheimer , la enfermedad de Parkinson y otros trastornos degenerativos .

La proteína Tau pertenece a un grupo de proteínas asociadas a microtúbulos (MAP) que ayudan a estabilizar los microtúbulos en las células, incluidas las neuronas. [81] La asociación y la actividad estabilizadora de la proteína tau dependen de su estado fosforilado. En la enfermedad de Alzheimer, debido a plegamientos incorrectos y cambios conformacionales anormales en la estructura de la proteína tau, ésta se vuelve ineficaz para unirse a los microtúbulos y es incapaz de mantener organizada la estructura citoesquelética neural durante los procesos neurales. La tau anormal inhibe y altera la organización de los microtúbulos y desconecta la tau normal de los microtúbulos hacia la fase citosólica. [82] Los plegamientos incorrectos conducen a la agregación anormal en ovillos fibrilares dentro de las neuronas. La proteína tau necesita ser fosforilada para funcionar, pero la hiperfosforilación de la proteína tau es una de las principales influencias en su incapacidad para asociarse. [82] Las fosfatasas PP1, PP2A, PP2B y PP2C desfosforilan la proteína tau in vitro y sus actividades se reducen en áreas del cerebro en pacientes con Alzheimer. [82] [83] La fosfoproteína tau está hiperfosforilada de tres a cuatro veces en un paciente con Alzheimer en comparación con un individuo anciano que no padece la enfermedad. La tau de la enfermedad de Alzheimer parece eliminar MAP1 y MAP2 (otras dos proteínas asociadas importantes) de los microtúbulos y este efecto nocivo se revierte cuando se realiza la desfosforilación, lo que demuestra que la hiperfosforilación es la única causa de la actividad paralizante. [82]

enfermedad de Parkinson

La α-sinucleína es una proteína asociada con la enfermedad de Parkinson. [84] En los seres humanos, esta proteína está codificada por el gen SNCA . [85] La α-sinucleína participa en el reciclaje de vesículas sinápticas que transportan neurotransmisores y se presenta naturalmente en forma desplegada. Se encuentran niveles elevados de α-sinucleína en pacientes con enfermedad de Parkinson. Existe una correlación entre la concentración de α-sinucleína no fosforilada presente en el paciente y la gravedad de la enfermedad de Parkinson. [86] Específicamente, la fosforilación de Ser129 en α-sinucleína tiene un impacto en la gravedad. Los pacientes sanos tienen niveles más altos de α-sinucleína no fosforilada que los pacientes con enfermedad de Parkinson. La medición del cambio en la relación entre las concentraciones de α-sinucleína fosforilada y α-sinucleína no fosforilada en un paciente podría ser un marcador de la progresión de la enfermedad. Los anticuerpos que se dirigen a la α-sinucleína en Ser129 fosforilado se utilizan para estudiar los aspectos moleculares de las sinucleinopatías. [87] [88]

La fosforilación de Ser129 está asociada con la agregación de la proteína y un mayor daño al sistema nervioso. La agregación de α-sinucleína fosforilada puede mejorarse si una proteína de andamio presináptico, Sept4, está presente en cantidades insuficientes. La interacción directa de la α-sinucleína con Sept4 inhibe la fosforilación de Ser129. [89] [90] [91] Sin embargo, la fosforilación de Ser129 se puede observar sin agregación de sinucleína en condiciones de sobreexpresión. [92]

Referencias

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