Dephosphorylierung - Dephosphorylation

In der Biochemie ist Dephosphorylierung die Entfernung einer Phosphatgruppe (PO 4 3− ) aus einer organischen Verbindung durch Hydrolyse . Es handelt sich um eine reversible posttranslationale Modifikation . Dephosphorylierung und sein Gegenstück, Phosphorylierung , aktivieren und deaktivieren Enzyme durch Lösen oder Phosphorsäure Anbringen Ester und Anhydride . Ein bemerkenswertes Auftreten von Dephosphorylierung ist die Umwandlung von ATP in ADP und anorganisches Phosphat.

Bei der Dephosphorylierung wird ein Typ eines hydrolytischen Enzyms oder Hydrolase verwendet , das Esterbindungen spaltet. Die prominente Hydrolase-Unterklasse, die bei der Dephosphorylierung verwendet wird , ist die Phosphatase , die Phosphatgruppen entfernt, indem sie Phosphorsäuremonoester in ein Phosphation und ein Molekül mit einer freien Hydroxylgruppe (-OH) hydrolysiert .

Die reversible Phosphorylierungs-Dephosphorylierungs-Reaktion tritt in jedem physiologischen Prozess auf und macht die richtige Funktion der Proteinphosphatasen für die Lebensfähigkeit des Organismus notwendig. Da die Proteindephosphorylierung ein Schlüsselprozess bei der Zellsignalübertragung ist , sind Proteinphosphatasen an Erkrankungen wie Herzerkrankungen, Diabetes und Alzheimer beteiligt.

Geschichte

Die Entdeckung der Dephosphorylierung stammt aus einer Reihe von Experimenten, in denen das Enzym Phosphorylase untersucht wurde, das aus Skelettmuskeln von Kaninchen isoliert wurde. 1955 verwendeten Edwin Krebs und Edmond Fischer radioaktiv markiertes ATP, um zu bestimmen, dass Phosphat an den Serinrest der Phosphorylase addiert wird, um ihn durch Phosphorylierung von seiner b in eine Form umzuwandeln . Anschließend zeigten Krebs und Fischer, dass diese Phosphorylierung Teil einer Kinasekaskade ist. Schließlich wurde nach Reinigung der phosphorylierten Form des Enzyms Phosphorylase a aus Kaninchenleber eine Ionenaustauschchromatographie verwendet, um die Phosphoproteinphosphatase I und II zu identifizieren.

Seit der Entdeckung dieser dephosphorylierenden Proteine ​​wurde die reversible Natur der Phosphorylierung und Dephosphorylierung mit einem breiten Spektrum funktioneller Proteine ​​in Verbindung gebracht, hauptsächlich enzymatisch, aber auch nicht-enzymatische Proteine. Edwin Krebs und Edmond Fischer erhielten 1992 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Entdeckung der reversiblen Proteinphosphorylierung.

Funktion

PTEN, eine Phosphatase.
Kristallographische Struktur von humaner Phosphatase und Tensin-Homolog (PTEN). Das aktive Zentrum der blauen N-terminalen Phosphatasedomäne ist gelb dargestellt. Die C-terminale C2-Domäne ist rot dargestellt.

Die Phosphorylierung und Dephosphorylierung von Hydroxylgruppen neutraler, aber polarer Aminosäuren wie Serin, Threonin und Tyrosin innerhalb spezifischer Zielproteine ​​ist ein grundlegender Bestandteil der Regulation jedes physiologischen Prozesses. Die Phosphorylierung beinhaltet die kovalente Modifikation des Hydroxyls mit einer Phosphatgruppe durch den nukleophilen Angriff des Alpha-Phosphats in ATP durch den Sauerstoff in dem Hydroxyl. Die Dephosphorylierung beinhaltet die Entfernung der Phosphatgruppe durch eine Hydratationsreaktion durch Zugabe eines Wassermoleküls und die Freisetzung der ursprünglichen Phosphatgruppe, wodurch das Hydroxyl regeneriert wird. Beide Prozesse sind reversibel und jeder Mechanismus kann verwendet werden, um ein Protein zu aktivieren oder zu deaktivieren. Die Phosphorylierung eines Proteins erzeugt viele biochemische Effekte, wie z. B. die Änderung seiner Konformation, um seine Bindung an einen spezifischen Liganden zu ändern, um seine Aktivität zu erhöhen oder zu verringern. Phosphorylierung und Dephosphorylierung können auf allen Arten von Substraten angewendet werden, wie beispielsweise Strukturproteinen, Enzymen, Membrankanälen, Signalmolekülen und anderen Kinasen und Phosphatasen. Die Summe dieser Prozesse wird als Phosphoregulation bezeichnet. Die Deregulierung der Phosphorylierung kann zu Krankheiten führen.

Posttranslationale Modifikation

Bei der Synthese von Proteinen müssen Polypeptidketten, die von Ribosomen erzeugt werden, die mRNA translatieren, prozessiert werden, bevor sie eine reife Konformation annehmen. Die Dephosphorylierung von Proteinen ist ein Mechanismus zur Modifizierung des Verhaltens eines Proteins, oft durch Aktivierung oder Inaktivierung eines Enzyms . Auch Komponenten des Proteinsyntheseapparates unterliegen einer Phosphorylierung und Dephosphorylierung und regulieren so die Geschwindigkeiten der Proteinsynthese.

Als Teil postranslationaler Modifikationen können Phosphatgruppen von Serin, Threonin oder Tyrosin entfernt werden. Als solche hängen die Wege der intrazellulären Signaltransduktion von der sequentiellen Phosphorylierung und Dephosphorylierung einer Vielzahl von Proteinen ab.

ATP

Hauptartikel: Adenosintriphosphat
Siehe auch: Rolle der Dephosphorylierung bei Krankheiten
ATP 4− + H 2 O ⟶ ADP 3− + HPO 4 2− + H +

Adenosintriphosphat oder ATP wirkt in allen lebenden Organismen als freie Energie "Währung". Bei einer spontanen Dephosphorylierungsreaktion werden 30,5 kJ/mol freigesetzt, die genutzt werden, um zelluläre Reaktionen anzutreiben. Insgesamt sind nicht-spontane Reaktionen, die an die Dephosphorylierung von ATP gekoppelt sind, aufgrund der negativen Änderung der freien Energie der gekoppelten Reaktion spontan. Dies ist wichtig, um die oxidative Phosphorylierung voranzutreiben. ATP wird zu ADP und anorganischem Phosphat dephosphoryliert.

Auf zellulärer Ebene bestimmt die Dephosphorylierung von ATPasen den Ionenfluss in und aus der Zelle. Protonenpumpenhemmer sind eine Klasse von Medikamenten, die direkt auf ATPasen des Magen-Darm-Trakts wirken.

Dephosphorylierung in anderen Reaktionen

Andere Moleküle außer ATP werden als Teil anderer biologischer Systeme dephosphoryliert. Verschiedene Verbindungen erzeugen als Ergebnis der Dephosphorylierung unterschiedliche Änderungen der freien Energie.

Molekül Änderung der freien Energie
Acetylphosphat 47,3 kJ/mol
Glucose-6-phosphat 13,8 kJ/mol
Phosphoenolpyruvat (PEP) -61,9 kJ/m
Phosphokreatin 43,1 kJ/m²

Psilocybin beruht auch darauf, dass die Dephosphorylierung zu Psilocin metabolisiert und weiter eliminiert wird. Derzeit liegen keine Informationen über die Wirkung von Psilocybin auf die Änderung der freien Energie vor.

Bedeutung der Dephosphorylierung im Photosystem II

Der erste Protein - Komplex der Photosynthese Komponente lichtabhängige Reaktionen wird als Photosystem II . Der Komplex verwendet ein Enzym, um Lichtphotonen einzufangen und den größeren Photosyntheseprozess mit allen Elektronen zu versorgen, die zur Produktion von ATP benötigt werden. Das Photosystem II ist besonders temperaturempfindlich, und die Desphosphorylierung wurde als Treiber der Plastizität bei der Reaktion auf Temperaturschwankungen impliziert. Eine beschleunigte Proteindephosphorylierung in photosynthetischen Thylakoidmembranen tritt bei erhöhten Temperaturen auf, was sich direkt auf die Desphosphorylierung von Schlüsselproteinen innerhalb des Photosystem II-Komplexes auswirkt.

Rolle der Dephosphorylierung bei Krankheiten

Pathologie

Eine übermäßige Dephosphorylierung der Membran-ATPasen und Protonenpumpen im Magen-Darm-Trakt führt zu höheren Sekretionsraten von ätzenden Peptinsäuren. Diese führen zu Sodbrennen und Ösophagitis. In Kombination mit einer Helicobacter-pylori- Infektion wird die Ulkuskrankheit durch den erhöhten pH-Wert verursacht, der eine Dephosphorylierung auslöst.

Das Mikrotubuli-assoziierte Protein Tau ist abnormal hyperphosphoryliert, wenn es aus dem Gehirn von Patienten mit Alzheimer-Krankheit isoliert wird . Dies ist auf die Dysfunktion der Dephosphorylierungsmechanismen an bestimmten Aminosäuren des Tau-Proteins zurückzuführen. Die Tau-Dephosphorylierung wird durch Proteinphosphatase-2A und Phosphatase-2B katalysiert. Ein Mangel oder eine Modifikation eines oder beider Proteine ​​kann an der abnormalen Phosphorylierung von Tau bei der Alzheimer-Krankheit beteiligt sein

Dephosphorylierung wurde auch mit Herzerkrankungen in Verbindung gebracht , insbesondere mit der Veränderung von Aktin-Myosin-Wechselwirkungen, die für die Bereitstellung der zugrunde liegenden Kraft eines Herzschlags entscheidend sind. Die Dephosphorylierung ist ein wichtiger Teil der Myosin-Zykluskinetik, die die Aktin-Myosin-Wechselwirkungen direkt steuert. Wenn der Dephosphorylierungsprozess unterbrochen wird, ist die kalziumabhängige Herzkontraktion beeinträchtigt oder vollständig deaktiviert.

Die Forschung hat auch vorgeschlagen, dass Modifikationen der Dephosphorylierung physiologische Prozesse beeinflussen, die mit Diabetes mellitus in Verbindung stehen . Die Kinetik der Dephosphorylierung der Insulinrezeptorsubstrat-1/2, Akt und ERK1/2, Phosphoproteine ​​sind an der Insulinrezeptor-Signalgebung beteiligt, und In-vitro- Modelle zeigen, dass Veränderungen der Dephosphorylierungskinetik die vor- und nachgelagerte Insulinstimulation beeinflussen.

Behandlungen

Die Hemmung der Protonenpumpen verringert den Säuregehalt des Magen-Darm-Trakts signifikant und reduziert die Symptome von säurebedingten Erkrankungen. Die resultierende Änderung des pH-Wertes verringert das Überleben des Bakteriums H. pylori , einer der Hauptursachen für Magengeschwüre. Sobald der Protonenpumpenhemmer diese Bakterien im Darm beseitigt und den erosiven Reflux umkehrt. Die Behandlung von Herzerkrankungen hat sich durch den Einsatz von Medikamenten verbessert, die AMPK durch Dephosphorylierung hemmen . Bei der Behandlung von Diabetes können Sulfonylharnstoff- Medikamente die Dephosphorylierung des Glukosetransporters GLUT4 stimulieren , wodurch die Insulinresistenz verringert und die Glukoseverwertung erhöht wird.

Forschungsanträge

Die Dephosphorylierung kann eine Schlüsselrolle in der Molekularbiologie spielen, insbesondere beim Klonen mit Restriktionsenzymen . Die geschnittenen Enden eines Vektors können während eines Ligationsschritts aufgrund der Phosphorylierung religieren . Durch die Verwendung einer desphosphorylierenden Phosphatase kann eine erneute Ligation vermieden werden. Diese alkalischen Phosphatasen werden oft natürlicherweise, am häufigsten aus dem Kälberdarm, gewonnen und als CIP abgekürzt .

Siehe auch

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Externe Links