Desfosforilación

En bioquímica , la desfosforilación es la eliminación de un fosfato ( PO3−4) de un compuesto orgánico por hidrólisis . Es una modificación postraduccional reversible . La desfosforilación y su contraparte, la fosforilación , activan y desactivan las enzimas mediante la separación o unión de ésteres y anhídridos fosfóricos . Un fenómeno notable de la desfosforilación es la conversión de ATP en ADP y fosfato inorgánico.

La desfosforilación emplea un tipo de enzima hidrolítica, o hidrolasa , que rompe los enlaces éster. La subclase de hidrolasa más importante que se utiliza en la desfosforilación es la fosfatasa , que elimina los grupos fosfato hidrolizando los monoésteres de ácido fosfórico en un ion fosfato y una molécula con un grupo hidroxilo (–OH) libre.

La reacción reversible de fosforilación-desfosforilación ocurre en todos los procesos fisiológicos, lo que hace que el funcionamiento adecuado de las fosfatasas proteicas sea necesario para la viabilidad del organismo. Debido a que la desfosforilación proteica es un proceso clave involucrado en la señalización celular , ^[1] las fosfatasas proteicas están implicadas en enfermedades como enfermedades cardíacas, diabetes y enfermedad de Alzheimer. ^[2]

El descubrimiento de la desfosforilación surgió a partir de una serie de experimentos que examinaban la enzima fosforilasa aislada del músculo esquelético de conejo. En 1955, Edwin Krebs y Edmond Fischer utilizaron ATP radiomarcado para determinar que se añade fosfato al residuo de serina de la fosforilasa para convertirlo de su forma b a a través de la fosforilación. ^[3] Posteriormente, Krebs y Fischer demostraron que esta fosforilación es parte de una cascada de quinasas. Finalmente, después de purificar la forma fosforilada de la enzima, la fosforilasa a , del hígado de conejo, se utilizó la cromatografía de intercambio iónico para identificar la fosfoproteína fosfatasa I y II. ^[4]

Desde el descubrimiento de estas proteínas desfosforilantes, la naturaleza reversible de la fosforilación y la desfosforilación se ha asociado con una amplia gama de proteínas funcionales, principalmente enzimáticas, pero que también incluyen proteínas no enzimáticas. ^[5] Edwin Krebs y Edmond Fischer ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1992 por el descubrimiento de la fosforilación reversible de proteínas. ^[6]

La fosforilación y desfosforilación de los grupos hidroxilo pertenecientes a aminoácidos neutros pero polares , como la serina, la treonina y la tirosina, dentro de proteínas diana específicas, es una parte fundamental de la regulación de todo proceso fisiológico. La fosforilación implica la modificación covalente del hidroxilo con un grupo fosfato a través del ataque nucleofílico del fosfato alfa en el ATP por el oxígeno en el hidroxilo. La desfosforilación implica la eliminación del grupo fosfato a través de una reacción de hidratación mediante la adición de una molécula de agua y la liberación del grupo fosfato original, regenerando el hidroxilo. Ambos procesos son reversibles y cualquiera de los dos mecanismos puede utilizarse para activar o desactivar una proteína. La fosforilación de una proteína produce muchos efectos bioquímicos, como cambiar su conformación para alterar su unión a un ligando específico para aumentar o reducir su actividad. La fosforilación y la desfosforilación pueden utilizarse en todo tipo de sustratos, como proteínas estructurales, enzimas, canales de membrana, moléculas de señalización y otras quinasas y fosfatasas. La suma de estos procesos se denomina fosforegulación. ^[8] La desregulación de la fosforilación puede provocar enfermedades. ^[9]

Durante la síntesis de proteínas, las cadenas polipeptídicas, que son creadas por los ribosomas que traducen el ARNm, deben procesarse antes de asumir una conformación madura. La desfosforilación de proteínas es un mecanismo para modificar el comportamiento de una proteína, a menudo mediante la activación o inactivación de una enzima . Los componentes del aparato de síntesis de proteínas también experimentan fosforilación y desfosforilación y, por lo tanto, regulan las tasas de síntesis de proteínas. ^[10]

Como parte de las modificaciones postraduccionales, se pueden eliminar grupos fosfato de la serina, treonina o tirosina. Por ello, las vías de transducción de señales intracelulares dependen de la fosforilación y desfosforilación secuenciales de una amplia variedad de proteínas.

ATP ⁴⁻ + H ₂ O ⟶ ADP ³⁻ + HPO2−4+H ⁺

El trifosfato de adenosina , o ATP, actúa como una "moneda" de energía libre en todos los organismos vivos. En una reacción de desfosforilación espontánea se liberan 30,5 kJ/mol, que se aprovechan para impulsar las reacciones celulares. En general, las reacciones no espontáneas acopladas a la desfosforilación del ATP son espontáneas, debido al cambio de energía libre negativo de la reacción acoplada. Esto es importante para impulsar la fosforilación oxidativa. El ATP se desfosforila a ADP y fosfato inorgánico. ^[11]

A nivel celular, la desfosforilación de las ATPasas determina el flujo de iones hacia dentro y hacia fuera de la célula. Los inhibidores de la bomba de protones son una clase de fármacos que actúan directamente sobre las ATPasas del tracto gastrointestinal.

Además del ATP, otras moléculas sufren desfosforilación como parte de otros sistemas biológicos. Diferentes compuestos producen diferentes cambios de energía libre como resultado de la desfosforilación. ^[11]

Molécula	Cambio en la energía libre
Fosfato de acetilo	47,3 kJ/mol
Glucosa-6-fosfato	13,8 kJ/mol
Fosfoenolpiruvato (PEP)	−61,9 kJ/mol
Fosfocreatina	43,1 kJ/mol

La psilocibina también depende de la desfosforilación para ser metabolizada en psilocina y luego eliminada. Actualmente no hay información disponible sobre el efecto de la psilocibina en el cambio de energía libre.

El primer complejo proteico de las reacciones dependientes de la luz que forman parte de la fotosíntesis se denomina fotosistema II . El complejo utiliza una enzima para capturar fotones de luz, lo que proporciona al proceso de fotosíntesis todos los electrones necesarios para producir ATP. El fotosistema II es particularmente sensible a la temperatura ^[12] y se ha implicado a la desfosforilación como un factor de plasticidad en la respuesta a la temperatura variada. La desfosforilación acelerada de proteínas en las membranas tilacoides fotosintéticas ocurre a temperaturas elevadas, lo que afecta directamente a la desfosforilación de proteínas clave dentro del complejo del fotosistema II ^{[13] .}

La desfosforilación excesiva de las ATPasas de membrana y de las bombas de protones en el tracto gastrointestinal conduce a tasas más altas de secreción de ácidos pépticos cáusticos. Esto produce acidez estomacal y esofagitis. En combinación con la infección por Helicobacter pylori , la enfermedad ulcerosa péptica es causada por el pH elevado que provoca la desfosforilación. ^[14]

La proteína tau asociada a los microtúbulos presenta una hiperfosforilación anormal cuando se aísla del cerebro de pacientes que padecen la enfermedad de Alzheimer . Esto se debe a la disfunción de los mecanismos de desfosforilación en aminoácidos específicos de la proteína tau. La desfosforilación de tau está catalizada por la proteína fosfatasa-2A y la fosfatasa-2B. La deficiencia o modificación de una o ambas proteínas puede estar implicada en la fosforilación anormal de tau en la enfermedad de Alzheimer ^[15]

La desfosforilación también se ha relacionado con enfermedades cardíacas , en particular la alteración de las interacciones actina-miosina que son clave para proporcionar la fuerza subyacente de un latido cardíaco. La desfosforilación es una parte clave de la cinética del ciclo de la miosina que controla directamente las interacciones actina-miosina. Cuando se interrumpe el proceso de desfosforilación, la contracción cardíaca dependiente del calcio se altera o se desactiva por completo. ^[16]

Las investigaciones también han sugerido que las modificaciones de la desfosforilación afectan los procesos fisiológicos implicados en la diabetes mellitus . Se ha demostrado que la cinética de la desfosforilación del sustrato del receptor de insulina-1/2, Akt y las fosfoproteínas ERK1/2 están involucradas en la señalización del receptor de insulina, y los modelos in vitro demuestran que los cambios en la cinética de la desfosforilación afectan la estimulación de la insulina en sentido ascendente y descendente. ^[17]

La inhibición de las bombas de protones ^[14] disminuye significativamente la acidez del tracto gastrointestinal, reduciendo los síntomas de las enfermedades relacionadas con el ácido. El cambio resultante en el pH disminuye la supervivencia de la bacteria H. pylori , una de las principales causas de la enfermedad de úlcera péptica. Una vez que el inhibidor de la bomba de protones erradica esta bacteria dentro del intestino, revierte el reflujo erosivo. El tratamiento de la enfermedad cardíaca ha mejorado con el uso de medicamentos que inhiben la AMPK a través de la desfosforilación. ^[18] En el tratamiento de la diabetes, los medicamentos de sulfonilurea pueden estimular la desfosforilación del transportador de glucosa GLUT4 , disminuyendo la resistencia a la insulina y aumentando la utilización de glucosa. ^[19]

La desfosforilación puede desempeñar un papel clave en la biología molecular, en particular en la clonación mediante enzimas de restricción . Los extremos cortados de un vector pueden volver a ligarse durante un paso de ligación debido a la fosforilación. Al utilizar una fosfatasa desfosforilante, se puede evitar la religación. ^[20] Las fosfatasas alcalinas , que eliminan el grupo fosfato presente en el extremo 5′ de una molécula de ADN, suelen obtenerse de forma natural, más comúnmente a partir del intestino de ternera, y se abrevian como CIP . ^[21]

El poder de la selección natural para la desfosforilación es menos conocido. Un estudio reciente ha descubierto que el IRF9, que pertenece a la familia de factores reguladores del interferón (IRF), una familia crítica para la respuesta inmune antiviral, podría estar influenciado por la selección natural durante la evolución de la especie humana. ^[22] La selección positiva se ha encontrado en el sitio del aminoácido Val129 (NP_006075.3:p.Ser129Val) del IRF9 humano. El estado ancestral (Ser129) se conserva entre los mamíferos, mientras que el estado nuevo (Val129) se fijó antes del evento "fuera de África" ​​hace unos 500.000 años. Este aminoácido joven (Val129) puede servir como un sitio de desfosforilación del IRF9. La desfosforilación puede afectar la actividad inmune del IRF9. ^[22]

• Fosforilación
• Fosfatasa