Fosforylering er en grunnleggende prosess for biokjemi som ikke bare forekommer i den menneskelige organismen, men i alle levende organismer med en kjerne og bakterie. Det er en uunnværlig komponent av intracellulær signaltransduksjon og en viktig måte å kontrollere celleoppførsel på. For det meste, komponenter av proteiner er fosforylerte, men andre molekyler slik som sukker kan også tjene som underlag. På det kjemiske observasjonsnivået, fosforylering av proteiner resulterer i fosforsyre ester knytte bånd.
Hva er fosforylering?
Fosforylering er en grunnleggende prosess for biokjemi som forekommer i den menneskelige organismen. Fosforylering gir energi til cellen. Uttrykket fosforylering refererer til overføring av fosfat grupper til organisk molekyler - vanligvis aminosyrerester som sminke proteiner. Fosfater har en tetrahedral struktur som består av et sentralt atom av fosfor og fire omkringliggende kovalent bundet oksygen atomer. fosfat grupper har en dobbel negativ ladning. Overføringen til et organisk molekyl skjer gjennom spesifikk enzymer, såkalte kinaser. Forbruker energi, disse binder vanligvis fosfat rest til en hydroksygruppe av et protein, og danner en fosforsyre ester. Imidlertid er denne prosessen reversibel, dvs. den kan reverseres, igjen av visse enzymer. Slik enzymer, som spalter av fosfatgeuppen, blir vanligvis referert til som fosfataser. Både kinaser og fosfataser representerer hver sin distinkte klasse av enzymer som kan deles videre i underklasser i henhold til forskjellige kriterier, slik som substratets natur eller aktiveringsmekanismen.
Funksjon og oppgave
En avgjørende betydning av fosfater, spesielt polyfosfater, i organismen er tilførsel av energi. Det mest fremtredende eksemplet er ATP (adenosin trifosfat), som regnes som den viktigste energitransmitteren i kroppen. Derfor betyr energilagring i den menneskelige organismen vanligvis syntesen av ATP. For å gjøre dette må en fosfatrest overføres til et ADP-molekyl (adenosin difosfat) slik at kjeden av fosfatgrupper bundet av fosforsyreanhydridbindinger utvides. Det resulterende molekylet kalles ATP (adenosin trifosfat). Energien som lagres på denne måten er hentet fra den fornyede spaltingen av bindingen, og etterlater ADP. Spaltning av et annet fosfat er også mulig og danner AMP (adenosinmonofosfat). Hver spalting av et fosfat gjør mer enn 30 kJ per mol tilgjengelig for cellen. Sukker fosforyleres også i løpet av menneskelig karbohydratmetabolisme av energigrunner. Glykolyse blir også referert til som en "oppsamlingsfase" og en "forsterkningsfase" fordi energi i form av fosfatgrupper først må investeres i utgangsmaterialene for den påfølgende gevinst av ATP. I tillegg, glukose, for eksempel som glukose-6-fosfat, kan ikke lenger diffundere uhindret gjennom cellemembran og er dermed fiksert inne i cellen, der det er behov for ytterligere viktige metabolske trinn. I tillegg representerer fosforyleringer og reverseringsreaksjonene, sammen med allosterisk og konkurransedyktig inhibering, de avgjørende mekanismene for å regulere celleaktivitet. I denne prosessen er proteiner for det meste fosforylerte eller defosforylerte. De aminosyrer mest modifisert er serin, treonin og tyrosin, som er tilstede i proteiner, med serin som er involvert i det overveldende flertallet av fosforyleringer. For proteiner med enzymaktivitet kan begge prosesser føre til aktivering eller inaktivering, avhengig av strukturen til molekylet. Alternativt kan (de) fosforylering ved å overføre eller trekke ut en dobbel negativ ladning også føre til en endring i konformasjonen av proteinet slik at visse andre molekyler kan binde seg til de berørte proteindomenene eller bare ikke. Et eksempel på denne mekanismen er klassen av G-proteinkoblede reseptorer. Begge mekanismene spiller en fremtredende rolle i signaltransduksjon i cellen og i reguleringen av cellulær metabolisme. De kan påvirke oppførselen til en celle enten direkte via enzymaktivitet eller indirekte, via endret transkripsjon og translasjon av DNA.
Sykdommer og plager
Så universell og grunnleggende som funksjonene til fosforyleringer er, er konsekvensene når denne reaksjonsmekanismen svekkes mangfoldige. En defekt eller inhibering av fosforylering, vanligvis utløst av mangel på proteinkinaser eller deres mangel, kan føre til metabolske sykdommer, sykdommer i nervesystemet og muskler, eller blant annet organskader. For det første blir nerve- og muskelceller ofte påvirket, noe som manifesterer seg i nevrologiske symptomer og muskelsvakhet. I liten skala kan noen forstyrrelser i kinaser eller fosfataser kompenseres av kroppen, siden det i noen tilfeller er flere veier tilgjengelig for overføring av et signal, og dermed kan det "defekte stedet" i signalkjeden omgåes. Deretter erstatter for eksempel et annet protein den defekte. Redusert enzymeffektivitet kan derimot kompenseres ved ganske enkelt å produsere mer. Både indre og eksterne giftstoffer så vel som genetiske mutasjoner er mulige årsaker til mangel eller funksjonsfeil i kinaser og fosfataser. Hvis en slik mutasjon finner sted i DNA til mitokondrier, det er negative effekter på oksidativ fosforylering og dermed ATP-syntese, hovedoppgaven til disse celleorganellene. En slik mitokondriell sykdom er LHON (Lebers arvelige optiske nevropati), der det er raskt synstap, noen ganger i kombinasjon med hjertearytmier. Denne sykdommen arves maternelt, dvs. utelukkende fra moren, siden bare hennes mitokondrielle DNA overføres til barnet, mens farens ikke er det.
