fosforylaatio

fosforylaatio on peruskemiallinen biokemian prosessi, joka tapahtuu paitsi ihmisen organismissa, myös kaikissa elävissä asioissa, joissa on solun ydin ja bakteerit. Se on välttämätön osa solunsisäistä signaalinsiirtoa ja tärkeä tapa hallita solujen käyttäytymistä. Suurimman osan ajasta proteiinien komponentit fosforyloituvat, mutta substraatteina voivat toimia myös muut molekyylit, kuten sokeri. Kemiallisesta näkökulmasta proteiinien fosforylointi luo fosforihappoesterisidoksen.

Mikä on fosforylaatio?

Termi fosforylaatio kuvaa fosfaattiryhmien siirtymistä orgaanisiin molekyyleihin - lähinnä nämä ovat aminohappotähteitä, jotka muodostavat proteiineja. Fosfaateilla on tetraedrinen rakenne, joka koostuu keskusfosforiatomista ja neljästä ympäröivästä, kovalenttisesti sitoutuneesta happiatomista.

Fosfaattiryhmillä on kaksinkertainen negatiivinen varaus. Ne siirtyvät orgaaniseen molekyyliin spesifisillä entsyymeillä, ns. Kinaaseilla. Energiankulutuksen kanssa nämä sitoutuvat yleensä fosfaattijäännökseen proteiinin hydroksyyliryhmään, jolloin muodostuu fosforihappoesteri. Tämä prosessi on kuitenkin palautuva, ts. tietyt entsyymit voivat taas kääntää sen. Sellaisiin entsyymeihin, jotka hajottavat fosfaattiryhmät, viitataan yleensä fosfataaseiksi.

Sekä kinaasit että fosfataasit edustavat kukin omaa entsyymiluokkaa, joka voidaan jakaa edelleen alaluokkiin erilaisten kriteerien, kuten substraattityypin tai aktivaatiomekanismin, mukaisesti.

Toiminto ja tehtävä

Fosfaattien, erityisesti polyfosfaattien, ratkaiseva merkitys organismissa on energian saanti. Näkyvin esimerkki tästä on ATP (adenosiinitrifosfaatti), joka on kehon tärkein energian kantaja. Energian varastointi ihmisen organismissa tarkoittaa siis yleensä ATP: n synteesiä.

Tätä varten fosfaattijäännös on siirrettävä ADP (adenosiinidifosfaatti) -molekyyliin siten, että sen fosfaattiryhmien ketju, joka on kytketty fosforihappoanhydridisidoksilla, jatkuu. Saatua molekyyliä kutsutaan ATP: ksi (adenosiinitrifosfaatti). Tällä tavoin varastoitunut energia saadaan sidoksen uudel- leen pilkkomisesta jättäen ADP: n taakse. Lisäfosfaatti voidaan myös halkaista, jolloin muodostuu AMP (adenosiinimonofosfaatti). Joka kerta kun fosfaatti halkaistaan, solussa on yli 30 kJ moolia kohti.

Sokeri fosforyloituu myös ihmisen hiilihydraattimetabolian aikana energisistä syistä. Yksi puhuu myös glykolyysin "keräysvaiheesta" ja "palautumisvaiheesta", koska fosfaattiryhmien muodossa oleva energia on ensin sijoitettava lähtöaineisiin, jotta ATP saadaan myöhemmin. Lisäksi glukoosi, esimerkiksi glukoosi-6-fosfaattina, ei enää pysty diffundoitumaan esteettä solumembraanin läpi, ja siksi se kiinnittyy solun sisään, missä sitä tarvitaan muihin tärkeisiin metaboliavaiheisiin.

Lisäksi fosforylaatiot ja niiden käänteiset reaktiot, allosteerisen ja kilpailevan estämisen lisäksi, ovat ratkaisevia mekanismeja soluaktiivisuuden säätelemiseksi. Useimmissa tapauksissa proteiinit fosforyloidaan tai defosforyloidaan. Proteiinien sisältämät aminohapot seriini, treoniini ja tyrosiini modifioidaan yleisimmin, kun seriini on mukana valtaosassa fosforylaatioita. Entsyymiaktiivisuuden omaavien proteiinien tapauksessa molemmat prosessit voivat johtaa aktivointiin ja inaktivointiin molekyylin rakenteesta riippuen.

Vaihtoehtoisesti (de) fosforylointi siirtämällä tai poistamalla kaksinkertainen negatiivinen varaus voi myös johtaa proteiinin konformaatioon, joka muuttuu siten, että tietyt muut molekyylit voivat sitoutua vaikutteisiin proteiinidomeeneihin tai vain ei enää. Esimerkki tästä mekanismista on luokka G-proteiiniin kytkettyjä reseptoreita.

Molemmilla mekanismeilla on erinomainen rooli signaalien siirtämisessä solun sisällä ja solun metabolian säätelyssä. Ne voivat vaikuttaa solun käyttäytymiseen joko suoraan entsyymiaktiivisuuden kautta tai epäsuorasti DNA: n muuttuneen transkription ja translaation kautta.

Sairaudet ja vaivat

Yhtä universaali ja perustavanlaatuinen kuin fosforylaatioiden toiminnot, tämän reaktiomekanismin häiriintymisen seuraukset ovat yhtä moninaiset. Fosforylaation vika tai estyminen, jonka yleensä laukaisee proteiinikinaasien puute tai niiden vajaus, voi johtaa aineenvaihduntatauteihin, hermosto- ja lihassairauksiin tai yksittäisten elinten vaurioihin. Hermosoluihin ja lihassoluihin vaikutetaan usein ensin, mikä ilmenee neurologisissa oireissa ja lihasheikkoudessa.

Pienessä määrin elimistö voi korvata joitain kinaasien tai fosfataasien häiriöitä, koska signaalin siirtämiseen on joskus useita tapoja ja siten signaaliketjun "viallinen kohta" voidaan ohittaa. Sitten esimerkiksi toinen proteiini korvaa viallisen. Entsyymien heikentynyt tehokkuus voidaan toisaalta kompensoida yksinkertaisesti lisäämällä tuotantoa.

Sisäiset ja ulkoiset toksiinit sekä geneettiset mutaatiot ovat mahdollisia syitä kinaasien ja fosfataasien vajavaisuuteen tai toimintahäiriöihin.

Jos tällainen mutaatio tapahtuu mitokondrioiden DNA: ssa, on negatiivisia vaikutuksia oksidatiiviseen fosforylaatioon ja siten ATP-synteesiin, joka on näiden soluorganelien päätehtävä. Tällainen mitokondriaalinen sairaus on esimerkiksi LHON (Leberin perinnöllinen optinen neuropatia), jossa näön häviäminen tapahtuu nopeasti, joskus yhdessä sydämen rytmihäiriöiden kanssa. Tämä sairaus on peritty äidiltä, ​​ts. yksinomaan äidiltä, ​​koska vain hänen mitokondriaalinen DNA siirtyy lapselle, mutta ei isän.