Significado biológico del proceso
La fosforilación y la desfosforilación representan un medio fundamental para controlar las vías metabólicas. La tarea principal de este mecanismo es garantizar la regulación rápida de las enzimas clave.
El proceso se desencadena en función de las condiciones ambientales cambiantes. El principal desencadenante de estos cambios es la regulación hormonal. Las hormonas transmiten una señal que dentro de la célula se transforma en una orden para modificar las enzimas necesarias, reestructurando así todo el metabolismo según las necesidades actuales del organismo.
Mecanismo de fosforilación
La fosforilación es el proceso de unión covalente de un residuo de ácido fosfórico a la molécula de la enzima.
- Sustrato de modificación: la reacción no se produce en cualquier parte de la proteína, sino estrictamente en los grupos OH (grupos hidroxilo) de determinados residuos de aminoácidos que forman parte de la enzima.
- Enzimas catalíticas: la reacción es llevada a cabo por enzimas especializadas llamadas proteincinasas.
- Fuente de fosfato: el donante del residuo de ácido fosfórico en esta reacción es siempre una molécula de ATP.
Mecanismo de desfosforilación
La desfosforilación es el proceso inverso en el cual el grupo fosfato previamente unido se elimina, devolviendo la enzima a su estado base original.
- Enzimas catalíticas: otras enzimas específicas, las fosfoproteín fosfatasas, son responsables de la escisión del fosfato.
- Esencia química: el proceso es una reacción de hidrólisis, durante la cual el residuo de ácido fosfórico se separa del grupo OH del residuo de aminoácido de la enzima.
Efecto sobre la estructura y actividad enzimática
¿Cómo cambia exactamente la unión de un pequeño grupo fosfato el funcionamiento de una enorme molécula proteica? Todo el secreto radica en su estructura tridimensional.
- Cambio de conformación. La unión del grupo fosfato provoca inevitablemente un cambio en la configuración espacial (conformación) del centro activo de la enzima.
- Cambio de afinidad. Debido a la nueva forma del centro activo, cambia la afinidad de la enzima por su sustrato (comienza a unirse a él más fácilmente o, por el contrario, con mayor dificultad).
- Resultado dual. Es importante comprender que la fosforilación no equivale a una activación incondicional. El efecto es estrictamente individual para cada enzima:
- Algunas enzimas se activan mediante la fosforilación.
- Otras enzimas se inhiben (su actividad disminuye) mediante la fosforilación.
La desfosforilación posterior siempre produce el efecto contrario, devolviendo por completo a la enzima a su estado estructural y funcional original.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué residuos de aminoácidos específicos se fosforilan?
Los grupos hidroxilo (OH) de aminoácidos específicos en la estructura de la proteína se fosforilan. Estos aminoácidos incluyen:
- Serina: se une al ácido fosfórico mediante un enlace éster.
- Treonina: es fosforilada por varias proteincinasas.
- Tirosina: es fosforilada por tirosina proteincinasas (por ejemplo, durante la autofosforilación en trans de los receptores catalíticos de factores de crecimiento e insulina).
¿Qué hormonas desencadenan la cascada de fosforilación de enzimas en la célula?
La cascada de fosforilación de enzimas intracelulares es desencadenada por hormonas que actúan en condiciones de déficit energético o estrés. Estas incluyen:
- Glucagón: actúa principalmente en el hígado durante el ayuno, desencadenando la cascada de la adenilato ciclasa.
- Adrenalina: actúa en los músculos durante el ejercicio físico.
Estas hormonas aumentan los niveles de AMPc y activan la proteincinasa A, que transfiere el grupo fosfato a las enzimas diana.
Dé ejemplos de enzimas metabólicas clave que se activan por fosforilación.
La adición de un grupo fosfato transfiere una serie de enzimas metabólicas a un estado activo. Estas enzimas incluyen:
- Glucógeno fosforilasa: enzima clave en la degradación del glucógeno, activa en su forma fosforilada.
- Fosforilasa cinasa: es convertida a su forma activa por la proteincinasa A para la posterior activación de la glucógeno fosforilasa.
- Tirosina hidroxilasa: se activa por fosforilación (disminuyen la constante de Michaelis y la afinidad por el inhibidor noradrenalina).
¿Qué segundos mensajeros participan en la activación de las proteincinasas?
Los siguientes segundos mensajeros participan en la transducción de señales intracelulares y la activación de proteincinasas específicas:
- AMPc: se une a las subunidades reguladoras y convierte la proteincinasa A en su forma activa.
- GMPc: se une reversiblemente a los centros reguladores de la proteincinasa G (se requieren 4 moléculas para la activación).
- Iones de calcio ($Ca^{2+}$): junto con el diacilglicerol, activan la proteincinasa C, y en complejo con la calmodulina, activan las proteincinasas dependientes de calmodulina.
La proteincinasa «pone» (lanza) el fosfato en la enzima (tomándolo del ATP). La fosfoproteín fosfatasa arranca el FOSFATO (mediante hidrólisis).
Preguntas de clases y exámenes
¿Qué enzimas realizan la fosforilación y de dónde obtienen el fosfato?
La fosforilación es llevada a cabo por enzimas proteincinasas. Utilizan una molécula de ATP como donante del residuo de ácido fosfórico.
¿A qué partes específicas de la enzima se une el grupo fosfato?
El grupo fosfato se une a los grupos OH (grupos hidroxilo) de residuos de aminoácidos específicos en la estructura de la enzima.
¿La fosforilación siempre conduce a la activación de la enzima?
No, el efecto puede ser dual. Debido a un cambio en la conformación del centro activo, algunas enzimas se activan mientras que otras se inhiben (se vuelven menos activas).
Qué más repasar sobre el tema
- Estructura y conformación del centro activo de la enzima
- Afinidad de la enzima por el sustrato
- Mecanismos de regulación hormonal del metabolismo
- Estructura química y papel de la molécula de ATP
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