Fosforylacja

Plik Fosforylacja to podstawowy proces biochemiczny, który zachodzi nie tylko w organizmie człowieka, ale we wszystkich organizmach żywych posiadających jądro komórkowe i bakterie. Jest nieodzowną częścią wewnątrzkomórkowej transdukcji sygnału i ważnym sposobem kontrolowania zachowania komórek. W większości przypadków składniki białek są fosforylowane, ale inne cząsteczki, takie jak cukier, również mogą służyć jako substraty. Z chemicznego punktu widzenia fosforylacja białek tworzy wiązanie estrowe kwasu fosforowego.

Co to jest fosforylacja?

Termin fosforylacja opisuje przeniesienie grup fosforanowych do cząsteczek organicznych - w większości są to reszty aminokwasowe tworzące białka. Fosforany mają strukturę czworościenną składającą się z centralnego atomu fosforu i czterech otaczających, kowalencyjnie związanych atomów tlenu.

Grupy fosforanowe mają podwójny ładunek ujemny. Są przenoszone do cząsteczki organicznej przez określone enzymy, tak zwane kinazy. Przy zużyciu energii zazwyczaj wiążą resztę fosforanową z grupą hydroksylową białka, tak że powstaje ester kwasu fosforowego. Jednak proces ten jest odwracalny, tj. można go odwrócić, ponownie przez pewne enzymy. Takie enzymy, które odszczepiają grupy fosforanowe, są ogólnie określane jako fosfatazy.

Zarówno kinazy, jak i fosfatazy, każda reprezentują swoją własną klasę enzymów, którą można podzielić na dalsze podklasy według różnych kryteriów, takich jak rodzaj substratu lub mechanizm aktywacji.

Funkcja i zadanie

Istotną rolą fosforanów, zwłaszcza polifosforanów, w organizmie jest dostarczanie energii. Najbardziej znanym tego przykładem jest ATP (trifosforan adenozyny), który jest głównym nośnikiem energii w organizmie. Magazynowanie energii w organizmie ludzkim oznacza zatem zwykle syntezę ATP.

Aby to zrobić, reszta fosforanowa musi zostać przeniesiona do cząsteczki ADP (difosforanu adenozyny), aby wydłużyć jej łańcuch grup fosforanowych, które są połączone wiązaniami bezwodnika fosforowego. Powstała cząsteczka nazywa się ATP (trifosforan adenozyny). Zgromadzona w ten sposób energia jest pozyskiwana z ponownego rozerwania wiązania, pozostawiając za sobą ADP. Kolejny fosforan można również oddzielić, w wyniku czego powstaje AMP (monofosforan adenozyny). Za każdym razem, gdy odszczepia się fosforan, komórka ma dostępne ponad 30 kJ na mol.

Ze względów energetycznych cukier jest również fosforylowany w trakcie metabolizmu węglowodanów u ludzi. Mówi się również o „fazie zbierania” i „fazie odzyskiwania” glikolizy, ponieważ energia w postaci grup fosforanowych musi być najpierw zainwestowana w materiały wyjściowe, aby później uzyskać ATP. Ponadto glukoza, na przykład jako glukozo-6-fosforan, nie może już swobodnie dyfundować przez błonę komórkową i dlatego jest wiązana wewnątrz komórki, gdzie jest niezbędna do innych ważnych etapów metabolizmu.

Ponadto fosforylacje i ich reakcje odwrotne, oprócz allosterycznego i konkurencyjnego hamowania, stanowią decydujące mechanizmy regulacji aktywności komórki.W większości przypadków białka ulegają fosforylacji lub defosforylacji. Aminokwasy seryna, treonina i tyrozyna zawarte w białkach są najczęściej modyfikowane, a seryna bierze udział w przeważającej większości fosforylacji. W przypadku białek wykazujących aktywność enzymatyczną oba procesy mogą prowadzić do aktywacji lub inaktywacji, w zależności od budowy cząsteczki.

Alternatywnie, (de) fosforylacja poprzez przeniesienie lub usunięcie podwójnego ładunku ujemnego może również prowadzić do zmiany konformacji białka w taki sposób, że pewne inne cząsteczki mogą wiązać się z dotkniętymi domenami białkowymi lub po prostu już nie. Przykładem tego mechanizmu jest klasa receptorów sprzężonych z białkami G.

Oba mechanizmy odgrywają wyjątkową rolę w przekazywaniu sygnałów w komórce oraz w regulacji metabolizmu komórkowego. Mogą wpływać na zachowanie komórki bezpośrednio poprzez aktywność enzymatyczną lub pośrednio poprzez zmienioną transkrypcję i translację DNA.

Choroby i dolegliwości

Równie uniwersalne i fundamentalne jak funkcje fosforylacji, konsekwencje zakłócenia tego mechanizmu reakcji są równie zróżnicowane. Wada lub zahamowanie fosforylacji, zwykle wywołane brakiem kinaz białkowych lub ich niedoborem, może prowadzić do chorób metabolicznych, chorób układu nerwowego i mięśni lub uszkodzenia poszczególnych narządów. Często w pierwszej kolejności zaatakowane są komórki nerwowe i mięśniowe, co objawia się objawami neurologicznymi i osłabieniem mięśni.

W niewielkim stopniu niektóre zaburzenia kinaz lub fosfataz mogą być kompensowane przez organizm, ponieważ czasami istnieje kilka sposobów przekazywania sygnału, a tym samym można ominąć „wadliwy punkt” w łańcuchu sygnałowym. Wtedy, na przykład, inne białko zastępuje wadliwe. Z drugiej strony, zmniejszoną wydajność enzymów można skompensować po prostu zwiększając produkcję.

Możliwe przyczyny niedoboru lub nieprawidłowego działania kinaz i fosfataz mogą powodować toksyny wewnętrzne i zewnętrzne, a także mutacje genetyczne.

Jeśli taka mutacja ma miejsce w DNA mitochondriów, ma to negatywny wpływ na fosforylację oksydacyjną, a tym samym syntezę ATP, główne zadanie tych organelli komórkowych. Taką chorobą mitochondrialną jest na przykład LHON (dziedziczna neuropatia nerwu wzrokowego Lebera), w której dochodzi do szybkiej utraty wzroku, czasami w połączeniu z zaburzeniami rytmu serca. Ta choroba jest dziedziczona po matce, tj. wyłącznie od matki, ponieważ tylko jej mitochondrialne DNA jest przekazywane dziecku, ale nie DNA ojca.