fosfatasa de proteínas

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 γ-fosfato del ATP a aminoácidos específicos en las proteínas. Existen varios cientos de PK en mamíferos y se clasifican en distintas superfamilias. Las proteínas se fosforilan predominantemente en residuos de Ser, Thr y Tyr, que representan el 79,3 %, el 16,9 % y el 3,8 % respectivamente del fosfoproteoma, al menos en mamíferos. En contraste, las proteínas fosfatasas (PP) son los principales efectores de la desfosforilación y se pueden agrupar en tres clases principales según su secuencia, estructura y función catalítica. La clase más grande de PP es la familia de la fosfoproteína fosfatasa (PPP), que comprende PP1, PP2A, PP2B, PP4, PP5, PP6 y PP7, y la familia de la proteína fosfatasa dependiente de Mg ²⁺ o Mn ²⁺ (PPM), compuesta principalmente por PP2C. La superfamilia de la proteína tirosina fosfatasa (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 fosfatasas y, en la mayoría de los casos, se cree que son catalíticamente inertes, funcionando en cambio como proteínas de unión a fosfato, integradores de señalización o trampas subcelulares. Se conocen ejemplos de fosfatasas de proteínas transmembrana que contienen dominios activos (fosfatasa) e inactivos (pseudofosfatasa) unidos en tándem, ^{[ 1 ]} conceptualmente similar 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 fosfatasas y pseudofosfatasas humanas, ^{[ 4 ]} que constituye una pieza complementaria del innovador análisis del kinoma humano, que codifica el conjunto completo de ~536 quinasas de proteínas humanas . ^{[ 5 ]}

La fosforilación implica la transferencia de grupos fosfato del ATP a la enzima, cuya energía proviene de la hidrólisis del ATP en ADP o AMP . Sin embargo, la desfosforilación libera los fosfatos en solución como iones libres, ya que su unión 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 fosfocisteína. ^{[ 6 ]}

El nucleófilo de cisteína libre forma un enlace con el átomo de fósforo del grupo fosfato, y el enlace P-O que une el grupo fosfato a la tirosina se protona, ya sea por un residuo de aminoácido ácido adecuadamente posicionado (Asp en el diagrama inferior) o por una molécula de agua. El intermedio de fosfocisteína se hidroliza entonces por otra molécula de agua, regenerando así el sitio activo para otra reacción de desfosforilación.

Las metalofosfatasas (por ejemplo, PP2C) coordinan dos iones metálicos esenciales para la catálisis dentro de su sitio activo. Actualmente existe cierta confusión sobre la identidad de estos iones metálicos, ya que los sucesivos intentos de identificarlos arrojan resultados diferentes. Hay indicios 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 sobre el ion fósforo .

Las fosfatasas se pueden subdividir en función de su especificidad de sustrato.

Muchas fosfatasas son inespecíficas con respecto al tipo de sustrato, o pueden evolucionar rápidamente para cambiar de sustrato. Una clasificación estructural alternativa ^{[ 4 ]} señala que 20 plegamientos proteicos distintos tienen actividad fosfatasa, y 10 de ellos contienen fosfatasas proteicas.

• El pliegue CC1 es el más común e incluye familias específicas de tirosina (PTP), de doble especificidad (DSP) e incluso específicas de lípidos (PTEN).
• Los principales pliegues específicos de serina/treonina son PPM (PP2C) y PPPL (PPP).
• La única histidina fosfatasa conocida se encuentra en el pliegue PHP.
• Otros pliegues codifican fosfatasas que actúan sobre diversas combinaciones de pSer, pThr, pTyr y sustratos no proteicos (CC2, CC3 , HAD , HP, AP , RTR1).

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 fundamentales para muchas vías de transducción de señales . La adición y eliminación de fosfato no necesariamente corresponden a la activación o inhibición de la enzima, y ​​varias enzimas tienen sitios de fosforilación separados para activar o inhibir la regulación funcional. La 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 espontáneamente por hidrólisis o está mediado por fosfatasas de proteínas. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

La fosforilación de proteínas desempeña un papel crucial en las funciones biológicas y controla prácticamente todos los procesos celulares, incluyendo el metabolismo, la transcripción y traducción génica, la progresión del ciclo celular, la reorganización del citoesqueleto, las interacciones proteína-proteína, la estabilidad proteica, el movimiento celular y la apoptosis . Estos procesos dependen de las acciones altamente reguladas y opuestas de las PK y 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 mediante la reorganización de la cromatina. ^{[ 15 ]}

Uno de los principales mecanismos de activación neuronal es la activación de las PK y PP por el aumento del calcio intracelular. El grado de activación de las distintas isoformas de PK y PP está controlado por su sensibilidad individual al calcio. Además, una amplia gama de inhibidores específicos y proteínas diana, como las proteínas de andamiaje, anclaje y adaptadoras, también contribuyen al control de las PK y PP y las incorporan a complejos de señalización en las neuronas. Estos complejos de señalización suelen acercar las PK y PP a sus sustratos diana y moléculas de señalización, además de potenciar su selectividad al restringir el acceso a dichas proteínas sustrato. Por consiguiente, los eventos de fosforilación están controlados no solo por la actividad equilibrada de las PK y PP, sino también por su localización restringida. Las subunidades y dominios reguladores restringen la localización de proteínas específicas a compartimentos subcelulares particulares y modulan su especificidad. 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 mediante segundos mensajeros y la fosforilación reversible de proteínas. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Se cree que alrededor del 30 % de las PP conocidas están presentes en todos los tejidos, mientras que el resto muestra cierto grado de restricción tisular. Si bien la fosforilación de proteínas es un mecanismo regulador celular, estudios recientes de proteómica cuantitativa han demostrado que la fosforilación se dirige preferentemente a las proteínas nucleares. Muchas PP que regulan 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 las presinapsis como en las postsinapsis, en el citoplasma y en el núcleo, donde regulan la expresión génica. ^{[ 18 ]}

La fosfoproteína fosfatasa se activa por la hormona insulina , lo que indica una alta concentración de glucosa en sangre . La enzima actúa entonces desfosforilando otras enzimas, como la fosforilasa quinasa , la glucógeno fosforilasa y la glucógeno sintasa . Esto provoca la inactivación de la fosforilasa quinasa y la glucógeno fosforilasa, mientras que la glucógeno sintasa se activa. Como resultado, aumenta la síntesis de glucógeno y disminuye la glucogenólisis , 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 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 diversos trastornos, como 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: