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 de proteínas reversible ( PTM ), y hasta el 30% de todas las proteínas se fosforilan en un momento dado. Las proteínas quinasas (PK) son los efectores de la fosforilación y catalizan la transferencia de un γ-fosfato del ATP a aminoácidos específicos en las proteínas. Existen varios cientos de PK en los mamíferos y se clasifican en distintas superfamilias. Las proteínas se fosforilan predominantemente en los 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 principales efectores 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 Mg 2+ o Mn 2+ (PPM), compuesta principalmente de PP2C. La superfamilia de la proteína Tyr fosfatasa (PTP) forma el segundo grupo, [1] y las proteínas fosfatasas basadas en aspartato el tercero. Las proteínas pseudofosfatasas forman parte de la familia de las fosfatasas más grande y, en la mayoría de los casos, se cree que son catalíticamente inertes y que, en cambio, funcionan como proteínas de unión a fosfato, integradoras de señalización o trampas subcelulares. Se conocen ejemplos de proteínas fosfatasas que atraviesan la membrana 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 kinoma humano, que codifica el conjunto completo de ~536 humanos. proteína quinasas . [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 intermediario fosfocisteína. [6]
El nucleófilo de cisteína libre forma un enlace con el átomo de fósforo del resto fosfato, y el enlace PO que une el grupo fosfato a la tirosina se protona, ya sea mediante un residuo de aminoácido ácido adecuadamente colocado (Asp en el diagrama siguiente) o una molécula de agua. . Luego, otra molécula de agua hidroliza el intermediario fosfocisteína, regenerando así el sitio activo para otra reacción de desfosforilación.
Las metalofosfatasas (p. ej. PP2C) coordinan 2 iones metálicos catalíticamente esenciales dentro de su sitio activo. Actualmente existe cierta confusión sobre la identidad de estos iones metálicos, ya que los sucesivos intentos de identificarlos arrojan respuestas diferentes. Actualmente existe evidencia de que estos metales podrían ser Magnesio , Manganeso , Hierro , Zinc o cualquier combinación de los mismos. 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 proteínas Ser/Thr fosfatasas se clasificaron originalmente mediante ensayos bioquímicos como tipo 1 (PP1) o tipo 2 (PP2), y se subdividieron aún más según el requisito de iones metálicos (PP2A, sin iones metálicos; PP2B, estimulado por Ca 2+ ; PP2C, dependiente de Mg 2+ ) (Moorhead et al., 2007). Las proteínas Ser/Thr fosfatasas PP1, PP2A y PP2B de la familia PPP, junto con PP2C de la familia PPM, representan la mayor parte de la actividad de Ser/Thr PP in vivo (Barford et al., 1998). En el cerebro, están presentes en diferentes compartimentos subcelulares de las células neuronales y gliales y contribuyen a diferentes funciones neuronales.
La familia PPM, que incluye PP2C y piruvato deshidrogenasa fosfatasa, son enzimas con iones metálicos Mn 2+ /Mg 2+ 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, PP2C no parece estar relacionado evolutivamente con la familia principal de Ser/Thr PP y no tiene homología de secuencia con las antiguas enzimas PPP. El supuesto actual es que los PPM evolucionaron por separado de los PPP pero convergieron durante el desarrollo evolutivo.
Los PTP de clase I constituyen la familia más grande. Contienen los conocidos PTP clásicos receptores (a) y no receptores (b), que son estrictamente específicos de tirosina, y los DSP (c), que se dirigen tanto a Ser/Thr como a Tyr y son los más diversos en términos de especificidad del sustrato.
La tercera clase de PTP contiene tres reguladores del ciclo celular, CDC25A, CDC25B y CDC25C, que desfosforilan las CDK en su N-terminal, una reacción necesaria para impulsar la progresión del ciclo celular. Ellos mismos están regulados por fosforilación y se degradan en respuesta al daño del ADN para prevenir anomalías cromosómicas.
La superfamilia de haloácido deshalogenasa (HAD) es otro grupo de PP que utiliza Asp como nucleófilo y recientemente se demostró que tiene especificidad dual. Estos PP pueden apuntar tanto a Ser como a Tyr, pero se cree que tienen una mayor especificidad hacia Tyr. Una subfamilia de HAD, la familia Eyes Absent (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 genética. La combinación de estas dos funciones en Eya revela una mayor complejidad del control de genes transcripcionales 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 funciones importantes en el desarrollo y la morfología nuclear.
Muchas fosfatasas son promiscuas con respecto 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 proteínas fosfatasas.
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 quinasa [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 corresponde a la activación o inhibición de la enzima, y varias enzimas tienen sitios de fosforilación separados para activar o inhibir la regulación funcional. CDK , por ejemplo, puede activarse o desactivarse dependiendo del residuo de aminoácido específico que se fosforila. 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 proteínas fosfatasas. [13] [14]
La fosforilación de proteínas desempeña un papel crucial en las funciones biológicas y controla casi todos los procesos celulares, incluido el metabolismo, la transcripción y traducción de genes, la progresión del ciclo celular, el reordenamiento 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, ubiquitinación, sumoilación y 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 PK y PP por el calcio intracelular elevado. El grado de activación de las diversas isoformas de PK y PP está controlado por sus sensibilidades individuales al calcio. Además, una amplia gama de inhibidores específicos y socios de direccionamiento, como proteínas de andamiaje, anclaje y adaptadoras, también contribuyen al control de PK y PP y las reclutan en complejos de señalización en células neuronales. Estos complejos de señalización normalmente actúan para acercar las PK y PP a los sustratos diana 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 sólo por la actividad equilibrada de las PK y PP sino también por su localización restringida. Las subunidades y 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 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 los PP conocidos 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 a nivel celular, estudios recientes de proteómica cuantitativa han demostrado que la fosforilación se dirige preferentemente a las proteínas nucleares. Muchos PP que regulan los eventos nucleares, a menudo están enriquecidos 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 sinapsis previa como posterior, 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 . Luego, la enzima actúa para desfosforilar otras enzimas, como la fosforilasa quinasa , la glucógeno fosforilasa y la glucógeno sintasa . Esto lleva a 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 ingresa y se almacena dentro de la célula. [19]
En el cerebro adulto, los PP son esenciales para las funciones sinápticas y participan 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, incluido el envejecimiento cognitivo y la neurodegeneración, así como con el cáncer, la diabetes y la obesidad. [20]
Los genes humanos que codifican proteínas con actividad fosfoproteína fosfatasa incluyen:
