Kaj je fosforilacija in kako deluje?

Oksidativna, glukozna in proteinska fosforilacija

MOLEKULA / Getty Images

Fosforilacija je kemična adicija fosforilne skupine (PO₃^-) v organsko molekula . Odstranitev fosforilne skupine imenujemo defosforilacija. Izvajata se fosforilacija in defosforilacija z encimi (npr. kinaze, fosfotransferaze). Fosforilacija je pomembna na področju biokemije in molekularne biologije, ker je ključna reakcija pri delovanju beljakovin in encimov, presnovi sladkorja ter shranjevanju in sproščanju energije.

Nameni fosforilacije

Fosforilacija ima ključno regulativno vlogo pri celice . Njegove funkcije vključujejo:

• Pomemben za glikolizo
• Uporablja se za interakcijo med beljakovinami
• Uporablja se pri razgradnji beljakovin
• Uravnava inhibicijo encimov
• Ohranja homeostazo z uravnavanjem kemičnih reakcij, ki zahtevajo energijo

Vrste fosforilacije

Številne vrste molekul so lahko podvržene fosforilaciji in defosforilaciji. Tri najpomembnejše vrste fosforilacije so fosforilacija glukoze, fosforilacija beljakovin in oksidativna fosforilacija.

Fosforilacija glukoze

Glukoza in drugi sladkorji so pogosto fosforilirani kot prvi korak njihovega katabolizem . Na primer, prvi korak glikolize D-glukoze je njena pretvorba v D-glukoza-6-fosfat. Glukoza je majhna molekula, ki zlahka prodre v celice. Fosforilacija tvori večjo molekulo, ki ne more zlahka vstopiti v tkivo. Torej je fosforilacija ključnega pomena za uravnavanje koncentracije glukoze v krvi. Koncentracija glukoze pa je neposredno povezana s tvorbo glikogena. Fosforilacija glukoze je povezana tudi z rastjo srca.

Fosforilacija beljakovin

Phoebus Levene na Rockefellerjevem inštitutu za medicinske raziskave je leta 1906 prvi identificiral fosforiliran protein (fosvitin), vendar je bila encimska fosforilacija proteinov opisana šele v tridesetih letih prejšnjega stoletja.

Fosforilacija beljakovin se zgodi, ko se doda fosforilna skupina aminokislina . Običajno je aminokislina serin, čeprav fosforilacija poteka tudi na treoninu in tirozinu pri evkariontih ter histidinu pri prokariontih. To je reakcija esterifikacije, kjer fosfatna skupina reagira s hidroksilno (-OH) skupino stranske verige serina, treonina ali tirozina. Encim protein kinaza kovalentno veže fosfatno skupino na aminokislino. Natančen mehanizem se med seboj nekoliko razlikuje prokariontov in evkariontov . Najbolj raziskane oblike fosforilacije so posttranslacijske modifikacije (PTM), kar pomeni, da so proteini fosforilirani po prevodu iz predloge RNA. Povratno reakcijo, defosforilacijo, katalizirajo proteinske fosfataze.

Pomemben primer fosforilacije beljakovin je fosforilacija histonov. Pri evkariontih je DNK povezana s histonskimi proteini, da nastanejo kromatin . Fosforilacija histona spremeni strukturo kromatina in spremeni njegove interakcije protein-protein in DNA-protein. Običajno pride do fosforilacije, ko je DNK poškodovana, kar odpre prostor okoli zlomljene DNK, tako da lahko popravljalni mehanizmi opravijo svoje delo.

Poleg svojega pomena v popravilo DNK , ima fosforilacija beljakovin ključno vlogo pri metabolizmu in signalnih poteh.

Oksidativna fosforilacija

Oksidativna fosforilacija je način, kako celica shranjuje in sprošča kemično energijo. V evkariontski celici se reakcije odvijajo v mitohondrijih. Oksidativno fosforilacijo sestavljajo reakcije transportna veriga elektronov in tiste kemiosmoze. Če povzamemo, redoks reakcija prenaša elektrone iz beljakovin in drugih molekul vzdolž transportne verige elektronov v notranjo membrano mitohondrijev, pri čemer se sprosti energija, ki se porabi za adenozin trifosfat (ATP) pri kemiosmozi.

V tem procesu NADH in FADH_dvadostavijo elektrone v transportno verigo elektronov. Elektroni se premikajo od višje energije k nižji energiji, ko napredujejo vzdolž verige, pri tem pa sproščajo energijo. Del te energije gre za črpanje vodikovih ionov (H⁺), da nastane elektrokemijski gradient. Na koncu verige se elektroni prenesejo na kisik, ki se veže s H⁺da nastane voda. H⁺ioni zagotavljajo energijo za ATP sintazo da sintetizira ATP . Ko je ATP defosforiliran, se s cepitvijo fosfatne skupine sprosti energija v obliki, ki jo celica lahko uporabi.

Adenozin ni edina baza, ki je podvržena fosforilaciji, da tvori AMP, ADP in ATP. Na primer, gvanozin lahko tvori tudi GMP, GDP in GTP.

Odkrivanje fosforilacije

Ne glede na to, ali je bila molekula fosforilirana ali ne, je mogoče zaznati z uporabo protiteles, elektroforeza , oz masna spektrometrija . Vendar pa je prepoznavanje in karakterizacija fosforilacijskih mest težko. Izotopsko označevanje se pogosto uporablja v povezavi z fluorescenca , elektroforeza in imunski testi.

Viri

• Kresge, Nicole; Simoni, Robert D.; Hill, Robert L. (21. januarja 2011). 'Proces reverzibilne fosforilacije: delo Edmonda H. Fischerja'. Journal of Biological Chemistry . 286 (3).
• Sharma, Saumya; Guthrie, Patrick H.; Chan, Suzanne S.; Haq, Syed; Taegtmeyer, Heinrich (2007-10-01). 'Fosforilacija glukoze je potrebna za od insulina odvisno signalizacijo mTOR v srcu'. Kardiovaskularne raziskave . 76 (1): 71–80.