Fosforilación

Serina en una cadena de aminoácidos, antes y después de la fosforilación.

En bioquímica, la fosforilación es la unión de un grupo fosfato a una molécula o un ion. Este proceso y su inverso, la desfosforilación, son comunes en biología y podrían estar impulsados por la selección natural. La fosforilación de proteínas a menudo activa (o desactiva) muchas enzimas.

Durante la respiración y la fotosíntesis

La fosforilación es esencial para los procesos de respiración tanto anaeróbica como aeróbica, que involucran la producción de trifosfato de adenosina (ATP), la proteína de "alta energía" medio de intercambio en la célula. Durante la respiración aeróbica, el ATP se sintetiza en la mitocondria mediante la adición de un tercer grupo fosfato al difosfato de adenosina (ADP) en un proceso denominado fosforilación oxidativa. El ATP también se sintetiza por fosforilación a nivel de sustrato durante la glucólisis. El ATP se sintetiza a expensas de la energía solar por fotofosforilación en los cloroplastos de las células vegetales.

Fosforilación de glucosa

Metabolismo de la glucosa

La fosforilación de los azúcares suele ser la primera etapa de su catabolismo. La fosforilación permite que las células acumulen azúcares porque el grupo fosfato evita que las moléculas se difundan de regreso a través de su transportador. La fosforilación de la glucosa es una reacción clave en el metabolismo del azúcar. La ecuación química para la conversión de D-glucosa en D-glucosa-6-fosfato en el primer paso de la glucólisis viene dada por:

D-glucosa + ATP → D-glucosa 6-fosfato + ADP

ΔG° = −16.7 kJ/mol (° indica la medición a condición estándar)

Glucólisis

La glucólisis es un proceso esencial de degradación de la glucosa en dos moléculas de piruvato, a través de varios pasos, con la ayuda de diferentes enzimas. Ocurre en diez pasos y demuestra que la fosforilación es un paso muy requerido y necesario para lograr los productos finales. La fosforilación inicia la reacción en el paso 1 del paso preparatorio (primera mitad de la glucólisis) e inicia el paso 6 de la fase de pago (segunda fase de la glucólisis).

La glucosa, por naturaleza, es una molécula pequeña con la capacidad de difundirse dentro y fuera de la célula. Al fosforilar la glucosa (agregar un grupo fosforilo para crear un grupo fosfato con carga negativa), la glucosa se convierte en glucosa-6-fosfato, que queda atrapada dentro de la célula cuando la membrana celular tiene carga negativa. Esta reacción ocurre debido a la enzima hexoquinasa, una enzima que ayuda a fosforilar muchas estructuras de anillos de seis miembros. La fosforilación tiene lugar en el paso 3, donde la fructosa-6-fosfato se convierte en fructosa 1,6-bisfosfato. Esta reacción es catalizada por la fosfofructoquinasa.

Si bien los ATP realizan la fosforilación durante los pasos preparatorios, el fosfato inorgánico mantiene la fosforilación durante la fase de pago. Cada molécula de gliceraldehído 3-fosfato se fosforila para formar 1,3-bisfosfoglicerato. Esta reacción es catalizada por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (GAPDH). El efecto cascada de la fosforilación eventualmente causa inestabilidad y permite que las enzimas abran los enlaces de carbono en la glucosa.

Las funciones de fosforilación son un componente extremadamente vital de la glucólisis, ya que ayuda en el transporte, el control y la eficiencia.

Síntesis de glucógeno

El glucógeno es una reserva a largo plazo de glucosa producida por las células del hígado. En el hígado, la síntesis de glucógeno está directamente relacionada con la concentración de glucosa en sangre. La concentración alta de glucosa en sangre provoca un aumento en los niveles intracelulares de glucosa 6-fosfato en el hígado, el músculo esquelético y el tejido graso (adiposo). La glucosa 6-fosfato tiene un papel en la regulación de la glucógeno sintasa.

La glucemia alta libera insulina, estimulando la translocación de transportadores de glucosa específicos a la membrana celular; la glucosa se fosforila a glucosa 6-fosfato durante el transporte a través de la membrana por ATP-D-glucosa 6-fosfotransferasa y hexoquinasa no específica (ATP-D-hexosa 6-fosfotransferasa). Las células hepáticas son libremente permeables a la glucosa, y la tasa inicial de fosforilación de la glucosa es el paso limitante de la tasa en el metabolismo de la glucosa por parte del hígado.

El papel crucial del hígado en el control de las concentraciones de azúcar en la sangre al descomponer la glucosa en dióxido de carbono y glucógeno se caracteriza por el valor negativo de energía libre de Gibbs (ΔG), lo que indica que este es un punto de regulación. La enzima hexoquinasa tiene una constante de Michaelis baja (K_m), lo que indica una alta afinidad por la glucosa, por lo que esta fosforilación inicial puede continuar incluso cuando los niveles de glucosa están a escala nanoscópica en la sangre.

La fosforilación de la glucosa puede mejorarse mediante la unión de fructosa 6-fosfato (F6P) y disminuirse mediante la unión de fructosa 1-fosfato (F1P). La fructosa consumida en la dieta se convierte en F1P en el hígado. Esto niega la acción de F6P sobre la glucoquinasa, lo que finalmente favorece la reacción directa. La capacidad de las células hepáticas para fosforilar la fructosa excede la capacidad para metabolizar la fructosa-1-fosfato. El consumo de fructosa en exceso finalmente resulta en un desequilibrio en el metabolismo hepático, lo que indirectamente agota el suministro de ATP de las células hepáticas.

La activación alostérica por la glucosa 6-fosfato, que actúa como un efector, estimula la glucógeno sintasa, y la glucosa 6 fosfato puede inhibir la fosforilación de la glucógeno sintasa por la proteína quinasa estimulada por AMP cíclico.

Otros procesos

La fosforilación de la glucosa es imprescindible en los procesos dentro del cuerpo. Por ejemplo, la fosforilación de la glucosa es necesaria para el objetivo del mecanismo dependiente de la insulina de la actividad de la ruta de la rapamicina dentro del corazón. Esto sugiere además un vínculo entre el metabolismo intermediario y el crecimiento cardíaco.

Fosforilación de proteínas

La fosforilación de proteínas es la modificación postraduccional más abundante en eucariotas. La fosforilación puede ocurrir en las cadenas laterales de serina, treonina y tirosina (a menudo llamadas "residuos") a través de la formación de enlaces fosfoéster, en histidina, lisina y arginina a través de enlaces fosforamidato, y en ácido aspártico y ácido glutámico a través de enlaces anhídrido mixto. La evidencia reciente confirma la fosforilación generalizada de histidina en los átomos de N 1 y 3 del anillo de imidazol. Trabajos recientes demuestran la fosforilación generalizada de proteínas humanas en múltiples aminoácidos no canónicos, incluidos motivos que contienen histidina, aspartato, glutamato, cisteína, arginina y lisina fosforilados en extractos de células HeLa. Sin embargo, debido a la labilidad química de estos residuos fosforilados, y en marcado contraste con la fosforilación de Ser, Thr y Tyr, el análisis de la histidina fosforilada (y otros aminoácidos no canónicos) utilizando enfoques bioquímicos y espectrométricos de masas estándar es mucho más desafiante y complicado. Se requieren procedimientos y técnicas de separación especiales para su conservación junto con la fosforilación clásica de Ser, Thr y Tyr.

El papel destacado de la fosforilación de proteínas en la bioquímica queda ilustrado por la gran cantidad de estudios publicados sobre el tema (en marzo de 2015, la base de datos MEDLINE arroja más de 240 000 artículos, principalmente sobre la fosforilación de proteínas).

Selección natural

El estado ancestral IRF9 sitio 129 es “Ser (S)”

Se sabe menos si la selección natural ha estado involucrada en la fosforilación de proteínas. Un estudio reciente ha descubierto que el miembro 9 de la familia de factores reguladores del interferón (IRF9) podría verse influido por la selección natural durante la evolución humana. Este gen es uno de los factores reguladores del interferón. El estado ancestral (Ser129) en IRF9 se encuentra con mayor frecuencia en mamíferos, mientras que el estado seleccionado positivamente derivado (Val129) se fijó en humanos. Esta fijación debe ocurrir antes de que el "fuera de África" evento ~ 500.000 años atrás. Por lo tanto, el aminoácido joven (Val129) puede servir como un sitio de desfosforilación de IRF9, lo que puede afectar la respuesta inmune en la especie humana.