Le fosfatasi agiscono in opposizione alle chinasi/fosforilasi, che aggiungono gruppi fosfato alle proteine. L’aggiunta di un gruppo fosfato può attivare o disattivare un enzima (ad esempio, le vie di segnalazione delle chinasi) o consentire un’interazione proteina-proteina (ad esempio, i domini SH2); pertanto le fosfatasi sono parte integrante di molte vie di trasduzione del segnale. L’aggiunta e la rimozione del fosfato non corrispondono necessariamente all’attivazione o all’inibizione dell’enzima, e diversi enzimi hanno siti di fosforilazione separati per attivare o inibire la regolazione funzionale. CDK, per esempio, può essere attivata o disattivata a seconda del residuo aminoacidico specifico che viene fosforilato. I fosfati sono importanti nella trasduzione del segnale perché regolano le proteine a cui sono legati. Per invertire l’effetto regolatore, il fosfato viene rimosso. Questo avviene da solo per idrolisi, o è mediato dalle fosfatasi proteiche.
La fosforilazione delle proteine gioca un ruolo cruciale nelle funzioni biologiche e controlla quasi ogni processo cellulare, incluso il metabolismo, la trascrizione e la traduzione dei geni, la progressione del ciclo cellulare, il riarrangiamento del citoscheletro, le interazioni proteina-proteina, la stabilità delle proteine, il movimento cellulare e l’apoptosi. Questi processi dipendono dalle azioni altamente regolate e opposte delle PK e delle PP, attraverso i cambiamenti nella fosforilazione delle proteine chiave. La fosforilazione degli istoni, insieme alla metilazione, ubiquitinazione, sumoilazione e acetilazione, regola anche l’accesso al DNA attraverso la riorganizzazione della cromatina.
Uno dei principali interruttori dell’attività neuronale è l’attivazione delle PK e delle PP da parte del calcio intracellulare elevato. Il grado di attivazione delle varie isoforme di PK e PP è controllato dalla loro sensibilità individuale al calcio. Inoltre, una vasta gamma di inibitori specifici e partner di targeting come le proteine di impalcatura, di ancoraggio e di adattamento contribuiscono al controllo delle PK e delle PP e le reclutano in complessi di segnalazione nelle cellule neuronali. Tali complessi di segnalazione agiscono tipicamente per portare le PK e le PP in stretta prossimità dei substrati bersaglio e delle molecole di segnalazione, nonché per migliorare la loro selettività limitando l’accessibilità a queste proteine substrato. Gli eventi di fosforilazione, quindi, sono controllati non solo dall’attività equilibrata delle PK e delle PP, ma anche dalla loro localizzazione limitata. Le subunità e i domini regolatori servono a limitare proteine specifiche a particolari compartimenti subcellulari e a modulare la specificità delle proteine. Questi regolatori sono essenziali per mantenere l’azione coordinata delle cascate di segnalazione, che nelle cellule neuronali includono la segnalazione a breve termine (sinaptica) e a lungo termine (nucleare). Queste funzioni sono, in parte, controllate dalla modificazione allosterica dei messaggeri secondari e dalla fosforilazione reversibile delle proteine.
Si pensa che circa il 30% delle PP conosciute siano presenti in tutti i tessuti, mentre il resto mostra un certo livello di restrizione dei tessuti. Mentre la fosforilazione delle proteine è un meccanismo di regolazione a livello cellulare, recenti studi di proteomica quantitativa hanno dimostrato che la fosforilazione si rivolge preferenzialmente alle proteine nucleari. Molte PP che regolano gli eventi nucleari, sono spesso arricchite o presenti esclusivamente nel nucleo. Nelle cellule neuronali, le PP sono presenti in più compartimenti cellulari e giocano un ruolo critico sia nel pre che nel post sinapsi, nel citoplasma e nel nucleo dove regolano l’espressione genica.
La fosfoproteina fosfatasi è attivata dall’ormone insulina, che indica che c’è un’alta concentrazione di glucosio nel sangue. L’enzima agisce quindi per defosforilare altri enzimi, come la fosforilasi chinasi, la glicogeno fosforilasi e la glicogeno sintasi. Questo porta la fosforilasi chinasi e la glicogeno fosforilasi a diventare inattive, mentre la glicogeno sintasi viene attivata. Come risultato, la sintesi del glicogeno è aumentata e la glicogenolisi è diminuita, e l’effetto netto è che l’energia entra e viene immagazzinata all’interno della cellula.