فوسفاتاز البروتين

إنزيم فوسفاتاز البروتين هو إنزيم فوسفاتاز يزيل مجموعة فوسفات من بقايا الأحماض الأمينية المفسفرة في بروتين الركيزة . يُعد فسفرة البروتين أحد أكثر أشكال تعديل ما بعد الترجمة العكسي شيوعًا ، حيث تصل نسبة البروتينات المفسفرة إلى 30% في أي وقت. تُعد كينازات البروتين ( PKs ) هي المؤثرات الرئيسية لعملية الفسفرة، حيث تحفز نقل مجموعة فوسفات غاما من جزيء ATP إلى أحماض أمينية محددة في البروتينات. يوجد في الثدييات مئات من كينازات البروتين، وهي مصنفة ضمن عائلات فائقة متميزة. تُفسفر البروتينات بشكل أساسي على بقايا السيرين والثريونين والتيروسين، والتي تُمثل 79.3% و16.9% و3.8% على التوالي من البروتينات المفسفرة، على الأقل في الثدييات. في المقابل، تُعد فوسفاتازات البروتين (PPs) هي المؤثرات الرئيسية لعملية إزالة الفسفرة ، ويمكن تصنيفها إلى ثلاث فئات رئيسية بناءً على التسلسل والبنية والوظيفة التحفيزية. تُعدّ عائلة فوسفاتازات البروتين الفسفوري (PPP) أكبر فئات فوسفاتازات البروتين، وتضم PP1، وPP2A، وPP2B، وPP4، وPP5، وPP6، وPP7، بالإضافة إلى عائلة فوسفاتازات البروتين المعتمدة على المغنيسيوم (Mg2 ⁺ ) أو المنغنيز (Mn2 ⁺⁾ (PPM)، والتي تتكون أساسًا من PP2C. وتُشكّل عائلة فوسفاتازات التيروسين (PTP) المجموعة الثانية، ^{[ 1 ]} بينما تُشكّل فوسفاتازات البروتين المعتمدة على الأسبارتات المجموعة الثالثة. أما فوسفاتازات البروتين الكاذبة، فتُعدّ جزءًا من عائلة الفوسفاتازات الأكبر، ويُعتقد في معظم الحالات أنها غير نشطة تحفيزيًا، وتعمل بدلًا من ذلك كبروتينات رابطة للفوسفات، أو مُكاملة للإشارات، أو كمصائد داخل الخلايا. تُعرف أمثلة على فوسفاتازات البروتين العابرة للغشاء التي تحتوي على نطاقات نشطة (فوسفاتاز) وغير نشطة (فوسفاتاز زائف) مرتبطة على التوالي، ^{[ 1 ]} وهي مشابهة من حيث المفهوم لبنية عديد الببتيد لنطاق الكيناز والكيناز الزائف في كينازات JAK الزائفة. ^{[ 2 ] [ 3 ]} وقد أنجز مانينغ وزملاؤه تحليلًا مقارنًا شاملًا للفوسفاتازات والفوسفاتازات الزائفة البشرية، ^{[ 4 ]} مما يشكل إضافةً إلى التحليل الرائد للكينوم البشري، الذي يشفر المجموعة الكاملة لما يقرب من 536 كيناز بروتيني بشري . ^{[ 5 ]}

تتضمن عملية الفسفرة نقل مجموعات الفوسفات من جزيء ATP إلى الإنزيم، وتستمد الطاقة اللازمة لذلك من تحلل ATP إلى ADP أو AMP . أما عملية إزالة الفسفرة فتُطلق الفوسفات في المحلول على شكل أيونات حرة، لأن إعادة ربطها بجزيء ATP تتطلب طاقة.

تقوم الفوسفاتازات المعتمدة على السيستين (CDPs) بتحفيز تحلل رابطة الفوسفات الإسترية عبر وسيط فوسفوسيستين. ^{[ 6 ]}

يشكل السيستين الحر ، وهو نيوكليوفيل، رابطة مع ذرة الفوسفور في مجموعة الفوسفات، ثم تُبرتَن رابطة PO التي تربط مجموعة الفوسفات بالتيروسين، إما بواسطة بقايا حمض أميني حمضي في موضع مناسب (حمض الأسبارتيك في الرسم التوضيحي أدناه) أو بواسطة جزيء ماء. بعد ذلك، يتحلل وسيط الفوسفوسيستين بواسطة جزيء ماء آخر، مما يُعيد تنشيط الموقع النشط لتفاعل إزالة الفوسفات مرة أخرى.

تُنسق الفوسفاتازات المعدنية (مثل PP2C) أيونين معدنيين أساسيين للتحفيز داخل موقعها النشط. يوجد حاليًا بعض الغموض حول هوية هذين الأيونين، حيث تُسفر المحاولات المتتالية لتحديدهما عن نتائج مختلفة. تشير الأدلة الحالية إلى أن هذين المعدنين قد يكونان المغنيسيوم أو المنغنيز أو الحديد أو الزنك أو أي مزيج منها. يُعتقد أن أيون الهيدروكسيل الذي يربط بين الأيونين المعدنيين يشارك في هجوم نيوكليوفيلي على أيون الفوسفور .

يمكن تقسيم الفوسفاتازات بناءً على تخصصها في الركيزة.

تتميز العديد من الفوسفاتازات بقدرتها على التفاعل مع أنواع مختلفة من الركائز، أو يمكنها التطور بسرعة لتغيير الركيزة. ويشير تصنيف بنيوي بديل ^{[ 4 ]} إلى أن 20 طية بروتينية متميزة تمتلك نشاط فوسفاتاز، وأن 10 منها تحتوي على فوسفاتازات بروتينية.

• يُعد طي CC1 هو الأكثر شيوعًا، ويشمل عائلات خاصة بالتيروسين (PTP) وثنائية التخصص (DSP) وحتى عائلات خاصة بالدهون (PTEN).
• الطيات الرئيسية الخاصة بالسيرين/الثريونين هي PPM (PP2C) و PPPL (PPP).
• إن الفوسفاتازات الهيستيدينية الوحيدة المعروفة موجودة في طية PHP.
• تقوم طيات أخرى بتشفير الفوسفاتازات التي تعمل على تركيبات مختلفة من pSer و pThr و pTyr والركائز غير البروتينية (CC2 و CC3 و HAD و HP و AP و RTR1).

تعمل الفوسفاتازات عكس الكينازات / الفوسفوريلازات ، التي تضيف مجموعات الفوسفات إلى البروتينات. قد تؤدي إضافة مجموعة الفوسفات إلى تنشيط أو تثبيط إنزيم (مثل مسارات إشارات الكيناز ^{[ 11 ]} ) أو تمكين حدوث تفاعل بين البروتينات (مثل نطاقات SH2 ^{[ 12 ]} )؛ ولذلك، تُعد الفوسفاتازات جزءًا لا يتجزأ من العديد من مسارات نقل الإشارة . لا يرتبط بالضرورة إضافة الفوسفات أو إزالته بتنشيط الإنزيم أو تثبيطه، ولدى العديد من الإنزيمات مواقع فسفرة منفصلة لتنشيط أو تثبيط التنظيم الوظيفي. على سبيل المثال، يمكن تنشيط أو تثبيط CDK اعتمادًا على بقايا الحمض الأميني المحددة التي تتم فسفرتها. تُعد الفوسفات مهمة في نقل الإشارة لأنها تنظم البروتينات التي ترتبط بها. لعكس التأثير التنظيمي، تتم إزالة الفوسفات. يحدث هذا تلقائيًا عن طريق التحلل المائي ، أو بوساطة فوسفاتازات البروتين. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

يلعب فسفرة البروتين دورًا حاسمًا في الوظائف البيولوجية، إذ يتحكم في جميع العمليات الخلوية تقريبًا، بما في ذلك الأيض، ونسخ الجينات وترجمتها، وتقدم دورة الخلية، وإعادة تنظيم الهيكل الخلوي، والتفاعلات بين البروتينات، واستقرار البروتين، وحركة الخلية، والاستماتة الخلوية . وتعتمد هذه العمليات على التأثيرات المنظمة والمتضادة لإنزيمات فسفرة البروتين (PKs) وإنزيمات فسفرة البروتين (PPs)، من خلال تغييرات في فسفرة البروتينات الرئيسية. كما تنظم فسفرة الهيستونات، إلى جانب المثيلة واليوبيكويتين والسومويلات والأسيتلة، الوصول إلى الحمض النووي (DNA) من خلال إعادة تنظيم الكروماتين. ^{[ 15 ]}

يُعدّ تنشيط البروتينات الكينازية (PKs) والبروتينات الفوسفاتية (PPs) بفعل ارتفاع مستوى الكالسيوم داخل الخلايا أحد أهمّ مفاتيح النشاط العصبي. وتُتحكّم حساسية كلٍّ من هذه البروتينات للكالسيوم بدرجة تنشيطها المختلفة. علاوةً على ذلك، تُساهم مجموعة واسعة من المُثبّطات المُحدّدة والشركاء المُستهدفين، مثل بروتينات السقالة والتثبيت والتحويل، في تنظيم عمل البروتينات الكينازية والبروتينات الفوسفاتية، وتجنيدها في مُركّبات الإشارات داخل الخلايا العصبية. تعمل هذه المُركّبات عادةً على تقريب البروتينات الكينازية والبروتينات الفوسفاتية من الركائز المستهدفة وجزيئات الإشارات، كما تُعزّز انتقائيتها بتقييد الوصول إلى هذه البروتينات الركائزية. وبالتالي، لا تُتحكّم عمليات الفسفرة فقط من خلال النشاط المُتوازن للبروتينات الكينازية والبروتينات الفوسفاتية، بل أيضًا من خلال توضعها المُحدّد. وتعمل الوحدات الفرعية والمجالات التنظيمية على حصر بروتينات مُحدّدة في حجيرات خلوية فرعية مُعيّنة، وعلى تعديل خصوصية البروتين. تُعدّ هذه المنظمات ضرورية للحفاظ على التنسيق الفعال لسلاسل الإشارات، والتي تشمل في الخلايا العصبية الإشارات قصيرة المدى (التشابكية) وطويلة المدى (النووية). وتُضبط هذه الوظائف جزئيًا عن طريق التعديل التغايري بواسطة الرسل الثانويين والفسفرة العكسية للبروتينات. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

يُعتقد أن حوالي 30% من البروتينات الفوسفاتية المعروفة موجودة في جميع الأنسجة، بينما يُظهر الباقي مستوىً من التقييد النسيجي. في حين أن فسفرة البروتين آلية تنظيمية على مستوى الخلية، فقد أظهرت دراسات البروتينات الكمية الحديثة أن الفسفرة تستهدف بشكل تفضيلي البروتينات النووية. غالبًا ما تكون العديد من البروتينات الفوسفاتية التي تنظم العمليات النووية غنية أو موجودة حصريًا في النواة. في الخلايا العصبية، تتواجد البروتينات الفوسفاتية في العديد من الحجيرات الخلوية وتلعب دورًا حاسمًا في كل من المشابك قبل وبعد المشابك، وفي السيتوبلازم، وفي النواة حيث تنظم التعبير الجيني. ^{[ 18 ]}

يُفعَّل إنزيم فوسفاتاز البروتين الفوسفوري بواسطة هرمون الأنسولين ، مما يدل على ارتفاع تركيز الجلوكوز في الدم . يعمل هذا الإنزيم بعد ذلك على إزالة الفوسفات من إنزيمات أخرى، مثل فوسفوريلاز كيناز ، وفوسفوريلاز الجليكوجين ، وسينثاز الجليكوجين . يؤدي ذلك إلى تعطيل فوسفوريلاز كيناز وفوسفوريلاز الجليكوجين، بينما يُفعَّل سينثاز الجليكوجين. ونتيجة لذلك، يزداد تخليق الجليكوجين ويقل تحلله ، مما يسمح بدخول الطاقة وتخزينها داخل الخلية. ^{[ 19 ]}

في دماغ البالغين، تُعدّ نقاط الاشتباك العصبي ضرورية للوظائف المشبكية، وتشارك في التنظيم السلبي لوظائف الدماغ العليا كالتعلم والذاكرة. وقد رُبط اختلال نشاطها بالعديد من الاضطرابات، بما في ذلك الشيخوخة المعرفية والتنكس العصبي، بالإضافة إلى السرطان والسكري والسمنة. ^{[ 20 ]}

تشمل الجينات البشرية التي تشفر البروتينات ذات نشاط فوسفاتاز البروتين الفسفوري ما يلي: