Una proteína fosfatasa es una enzima fosfatasa que elimina un grupo fosfato del residuo de aminoácido fosforilado de su proteína sustrato . La fosforilación de proteínas es una de las formas más comunes de modificación postraduccional reversible de proteínas ( PTM ), con hasta un 30% de todas las proteínas fosforiladas en un momento dado. Las proteínas quinasas (PK) son los efectores de la fosforilación y catalizan la transferencia de un fosfato γ desde ATP a aminoácidos específicos en las proteínas. Existen varios cientos de PK en los mamíferos y se clasifican en superfamilias distintas. Las proteínas se fosforilan predominantemente en residuos Ser, Thr y Tyr, que representan el 79,3, 16,9 y 3,8% respectivamente del fosfoproteoma, al menos en los mamíferos. Por el contrario, las proteínas fosfatasas (PP) son los efectores primarios de la desfosforilación y se pueden agrupar en tres clases principales según la secuencia, la estructura y la función catalítica. La clase más grande de PP es la familia de las fosfoproteínas fosfatasas (PPP), que comprende PP1, PP2A, PP2B, PP4, PP5, PP6 y PP7, y la familia de las proteínas fosfatasas dependientes de Mg2 + o Mn2 + (PPM), compuesta principalmente por PP2C. La superfamilia de las proteínas fosfatasas Tyr (PTP) forma el segundo grupo [1] , y las proteínas fosfatasas basadas en aspartato el tercero. Las proteínas pseudofosfatasas forman parte de la familia más grande de las fosfatasas y, en la mayoría de los casos, se cree que son catalíticamente inertes, y que en cambio funcionan como proteínas que se unen al fosfato, integradoras de la señalización o trampas subcelulares. Se conocen ejemplos de fosfatasas proteicas que atraviesan la membrana y que contienen dominios activos (fosfatasa) e inactivos (pseudofosfatasa) unidos en tándem, [1] conceptualmente similares a la estructura polipeptídica del dominio quinasa y pseudoquinasa de las pseudoquinasas JAK. [2] [3] Manning y sus colegas han completado un análisis comparativo completo de las fosfatasas y pseudofosfatasas humanas, [4] formando una pieza complementaria al análisis innovador del cinoma humano, que codifica el conjunto completo de ~536 proteínas quinasas humanas . [5]
La fosforilación implica la transferencia de grupos fosfato del ATP a la enzima, cuya energía proviene de la hidrolización del ATP en ADP o AMP . Sin embargo, la desfosforilación libera fosfatos en solución como iones libres, porque unirlos nuevamente al ATP requeriría un aporte de energía.
Las fosfatasas dependientes de cisteína (CDP) catalizan la hidrólisis de un enlace fosfoéster a través de un intermedio de fosfocisteína. [6]
El nucleófilo cisteína libre forma un enlace con el átomo de fósforo de la fracción fosfato, y el enlace PO que une el grupo fosfato a la tirosina se protona, ya sea por un residuo de aminoácido ácido ubicado adecuadamente (Asp en el diagrama siguiente) o por una molécula de agua. El intermediario fosfo-cisteína es hidrolizado luego por otra molécula de agua, regenerando así el sitio activo para otra reacción de desfosforilación.
Las metalofosfatasas (p. ej., PP2C) coordinan dos iones metálicos esenciales desde el punto de vista catalítico en su sitio activo. Actualmente existe cierta confusión sobre la identidad de estos iones metálicos, ya que los sucesivos intentos de identificarlos arrojan diferentes respuestas. Actualmente, hay evidencia de que estos metales podrían ser magnesio , manganeso , hierro , zinc o cualquier combinación de ellos. Se cree que un ion hidroxilo que une los dos iones metálicos participa en el ataque nucleofílico al ion fósforo .
Las fosfatasas se pueden subdividir según su especificidad de sustrato.
Las fosfatasas Ser/Thr de proteínas se clasificaron originalmente mediante ensayos bioquímicos como tipo 1 (PP1) o tipo 2 (PP2), y se subdividieron según el requerimiento de iones metálicos (PP2A, sin iones metálicos; PP2B, estimulada por Ca 2+ ; PP2C, dependiente de Mg 2+ ) (Moorhead et al., 2007). Las fosfatasas Ser/Thr de proteínas PP1, PP2A y PP2B de la familia PPP, junto con PP2C de la familia PPM, representan la mayoría de la actividad de PP Ser/Thr in vivo (Barford et al., 1998). En el cerebro, están presentes en diferentes compartimentos subcelulares en las células neuronales y gliales, y contribuyen a diferentes funciones neuronales.
La familia PPM, que incluye a la PP2C y a la piruvato deshidrogenasa fosfatasa, son enzimas con iones metálicos Mn2 + /Mg2 + que son resistentes a los inhibidores y toxinas clásicos de la familia PPP. A diferencia de la mayoría de las PPP, la PP2C existe en una sola subunidad pero, al igual que las PTP, muestra una amplia variedad de dominios estructurales que le confieren funciones únicas. Además, la PP2C no parece estar relacionada evolutivamente con la familia principal de las PP Ser/Thr y no tiene homología de secuencia con las enzimas PPP antiguas. La suposición actual es que las PPM evolucionaron por separado de las PPP pero convergieron durante el desarrollo evolutivo.
Las PTP de clase I constituyen la familia más grande. Contienen las conocidas PTP clásicas receptoras (a) y no receptoras (b), que son estrictamente específicas de la tirosina, y las DSP (c), que se dirigen a Ser/Thr así como a Tyr y son las más diversas en términos de especificidad de sustrato.
La tercera clase de PTP contiene tres reguladores del ciclo celular, CDC25A, CDC25B y CDC25C, que desfosforilan las CDK en su extremo N, una reacción necesaria para impulsar la progresión del ciclo celular. A su vez, están reguladas por fosforilación y se degradan en respuesta al daño del ADN para prevenir anomalías cromosómicas.
La superfamilia de las deshalogenasas de haloácidos (HAD) es otro grupo de PP que utiliza Asp como nucleófilo y recientemente se ha demostrado que tiene una especificidad dual. Estas PP pueden dirigirse tanto a Ser como a Tyr, pero se cree que tienen una mayor especificidad hacia Tyr. Una subfamilia de HAD, la Familia de Ojos Ausente (Eya), también son factores de transcripción y, por lo tanto, pueden regular su propia fosforilación y la de los cofactores transcripcionales, y contribuir al control de la transcripción génica. La combinación de estas dos funciones en Eya revela una mayor complejidad del control génico transcripcional de lo que se pensaba anteriormente. Otro miembro de esta clase es la fosfatasa del dominio C-terminal de la ARN polimerasa II. Si bien esta familia sigue siendo poco conocida, se sabe que desempeña papeles importantes en el desarrollo y la morfología nuclear.
Muchas fosfatasas son promiscuas en cuanto al tipo de sustrato o pueden evolucionar rápidamente para cambiar de sustrato. Una clasificación estructural alternativa [4] señala que 20 pliegues proteicos distintos tienen actividad fosfatasa y 10 de ellos contienen fosfatasas proteicas.
Las fosfatasas actúan en oposición a las quinasas / fosforilasas , que añaden grupos fosfato a las proteínas. La adición de un grupo fosfato puede activar o desactivar una enzima (p. ej., vías de señalización de quinasas [11] ) o permitir que se produzca una interacción proteína-proteína (p. ej., dominios SH2 [12] ); por lo tanto, las fosfatasas son parte integral de muchas vías de transducción de señales . La adición y eliminación de fosfato no necesariamente corresponden a la activación o inhibición de enzimas, y varias enzimas tienen sitios de fosforilación separados para activar o inhibir la regulación funcional. Las CDK , por ejemplo, pueden activarse o desactivarse dependiendo del residuo de aminoácido específico que se esté fosforilando. Los fosfatos son importantes en la transducción de señales porque regulan las proteínas a las que están unidos. Para revertir el efecto regulador, se elimina el fosfato. Esto ocurre por sí solo por hidrólisis o está mediado por las fosfatasas proteicas. [13] [14]
La fosforilación de proteínas desempeña un papel crucial en las funciones biológicas y controla casi todos los procesos celulares, incluidos el metabolismo, la transcripción y traducción de genes, la progresión del ciclo celular, la reorganización del citoesqueleto, las interacciones proteína-proteína, la estabilidad de las proteínas, el movimiento celular y la apoptosis . Estos procesos dependen de las acciones altamente reguladas y opuestas de las PK y las PP, a través de cambios en la fosforilación de proteínas clave. La fosforilación de histonas, junto con la metilación, la ubiquitinación, la sumoilación y la acetilación, también regula el acceso al ADN a través de la reorganización de la cromatina. [15]
Uno de los principales interruptores de la actividad neuronal es la activación de las PK y las PP por el aumento del calcio intracelular. El grado de activación de las diversas isoformas de las PK y las PP está controlado por sus sensibilidades individuales al calcio. Además, una amplia gama de inhibidores específicos y socios de selección, como las proteínas de andamiaje, anclaje y adaptadoras, también contribuyen al control de las PK y las PP y las reclutan en complejos de señalización en las células neuronales. Estos complejos de señalización actúan típicamente para acercar las PK y las PP a los sustratos objetivo y las moléculas de señalización, así como para mejorar su selectividad al restringir la accesibilidad a estas proteínas sustrato. Por lo tanto, los eventos de fosforilación están controlados no solo por la actividad equilibrada de las PK y las PP, sino también por su localización restringida. Las subunidades y los dominios reguladores sirven para restringir proteínas específicas a compartimentos subcelulares particulares y para modular la especificidad de las proteínas. Estos reguladores son esenciales para mantener la acción coordinada de las cascadas de señalización, que en las células neuronales incluyen la señalización a corto plazo (sináptica) y a largo plazo (nuclear). Estas funciones están controladas, en parte, por la modificación alostérica por mensajeros secundarios y la fosforilación reversible de proteínas. [16] [17]
Se cree que alrededor del 30% de las PP conocidas están presentes en todos los tejidos, y el resto muestra algún nivel de restricción tisular. Si bien la fosforilación de proteínas es un mecanismo regulador de toda la célula, estudios recientes de proteómica cuantitativa han demostrado que la fosforilación se dirige preferentemente a las proteínas nucleares. Muchas PP que regulan los eventos nucleares suelen estar enriquecidas o presentes exclusivamente en el núcleo. En las células neuronales, las PP están presentes en múltiples compartimentos celulares y desempeñan un papel fundamental tanto en la presinapsis como en la postsinapsis, en el citoplasma y en el núcleo, donde regulan la expresión génica. [18]
La fosfoproteína fosfatasa es activada por la hormona insulina , lo que indica que hay una alta concentración de glucosa en la sangre . La enzima actúa entonces para desfosforilar otras enzimas, como la fosforilasa quinasa , la glucógeno fosforilasa y la glucógeno sintasa . Esto hace que la fosforilasa quinasa y la glucógeno fosforilasa se vuelvan inactivas, mientras que la glucógeno sintasa se activa. Como resultado, la síntesis de glucógeno aumenta y la glucogenólisis disminuye, y el efecto neto es que la energía entra y se almacena dentro de la célula. [19]
En el cerebro adulto, las PP son esenciales para las funciones sinápticas y están implicadas en la regulación negativa de funciones cerebrales de orden superior, como el aprendizaje y la memoria. La desregulación de su actividad se ha relacionado con varios trastornos, entre ellos el envejecimiento cognitivo y la neurodegeneración, así como el cáncer, la diabetes y la obesidad. [20]
Los genes humanos que codifican proteínas con actividad de fosfoproteína fosfatasa incluyen:
