Фосфорилиране и как работи

Фосфорилирането е химичното добавяне на фосфорилна група (PO3-) до органичен молекула. Отстраняването на фосфорилна група се нарича дефосфорилиране. Извършва се както фосфорилиране, така и дефосфорилиране чрез ензими (напр. кинази, фосфотрансферази). Фосфорилирането е важно в областта на биохимията и молекулярната биология, тъй като е ключова реакция в функцията на протеини и ензими, метаболизма на захарта и съхранението и освобождаването на енергия.

Цели на фосфорилирането

Фосфорилирането играе критична регулаторна роля при клетки. Функциите му включват:

  • Важно за гликолизата
  • Използва се за взаимодействие протеин-протеин
  • Използва се при разграждане на протеини
  • Регулира ензимното инхибиране
  • Поддържа хомеостазата чрез регулиране на енергоемките химични реакции

Видове фосфорилиране

Много видове молекули могат да бъдат подложени на фосфорилиране и дефосфорилиране. Три от най-важните видове фосфорилиране са глюкозно фосфорилиране, фосфорилиране на протеини и окислително фосфорилиране.

Фосфорилиране на глюкоза

гликоза и други захари често са фосфорилирани като първата стъпка от тях катаболизъм. Например, първият етап от гликолизата на D-глюкозата е превръщането му в D-глюкоза-6-фосфат. Глюкозата е малка молекула, която лесно прониква в клетките. Фосфорилирането образува по-голяма молекула, която не може лесно да навлезе в тъканта. Така че фосфорилирането е от решаващо значение за регулиране на концентрацията на глюкоза в кръвта. Концентрацията на глюкоза от своя страна е пряко свързана с образуването на гликоген. Глюкозното фосфорилиране също е свързано със сърдечния растеж.

Фосфорилиране на протеини

Phoebus Levene в Института за медицински изследвания на Рокфелер е първият, който идентифицира a фосфорилиран протеин (фосвитин) през 1906 г., но ензимно фосфорилиране на протеини не е описано до 1930г.

Протеиновото фосфорилиране възниква, когато фосфорилната група се добави към аминокиселина. Обикновено аминокиселината е серин, въпреки че фосфорилирането се среща и върху треонин и тирозин в еукариотите и хистидин в прокариотите. Това е реакция на естерификация, при която фосфатната група взаимодейства с хидроксилната (-ОН) група на серинова, треонинова или тирозинова странична верига. Ензимната протеин киназа ковалентно свързва фосфатна група с аминокиселината. Прецизният механизъм се различава донякъде между прокариоти и еукариоти. Най-добре проучените форми на фосфорилиране са посттранслационни модификации (PTM), което означава, че протеините се фосфорилират след превод от РНК шаблон. Обратната реакция, дефосфорилирането, се катализира от протеинови фосфатази.

Важен пример за фосфорилиране на протеин е фосфорилирането на хистоните. В еукариотите ДНК се свързва с образуване на хистонови протеини хроматин. Хистоновото фосфорилиране променя структурата на хроматина и променя неговите взаимодействия протеин-протеин и ДНК-протеин. Обикновено фосфорилирането се случва, когато ДНК е повредена, отваряйки пространство около счупена ДНК, така че механизмите за ремонт могат да вършат своята работа.

В допълнение към неговото значение в ДНК поправка, фосфорилирането на протеини играе ключова роля в метаболизма и сигналните пътища.

Окислително фосфорилиране

Окислителното фосфорилиране е начинът, по който клетката съхранява и освобождава химическата енергия. В еукариотната клетка реакциите протичат в митохондриите. Окислителното фосфорилиране се състои от реакциите на електронната транспортна верига и тези на химиосмозата. В обобщение, редокс-реакцията преминава електрони от протеини и други молекули по протежение на електронно-транспортната верига във вътрешната мембрана на митохондриите, освобождавайки енергия, която се използва за получаване аденозин трифосфат (ATP) при химиосмоза.

В този процес NADH и FADH2 доставят електрони в електронната транспортна верига. Електроните преминават от по-висока енергия към по-ниска енергия, докато те напредват по веригата, освобождавайки енергия по пътя. Част от тази енергия отива за изпомпване на водородни йони (H+) за образуване на електрохимичен градиент. В края на веригата електрони се прехвърлят в кислород, който се свързва с Н+ за образуване на вода. Н+ йони доставят енергията за АТФ синтаза за синтезиране на АТФ. Когато ATP е дефосфорилиран, разцепването на фосфатната група освобождава енергия във форма, която клетката може да използва.

Аденозинът не е единствената основа, която се подлага на фосфорилиране, за да образува AMP, ADP и ATP. Например, гуанозинът може също да образува GMP, БВП и GTP.

Откриване на фосфорилиране

Независимо дали молекулата е фосфорилирана или не, може да бъде открита с помощта на антитела, електрофореза, или масспектрометрия. Въпреки това, идентифицирането и характеризирането на местата на фосфорилиране е трудно. Често се използва изотопно етикетиране във връзка с флуоресценция, електрофореза и имуноанализи.

Източници

  • Кресге, Никол; Симони, Робърт Д.; Хил, Робърт Л. (2011-01-21). „Процесът на обратимо фосфорилиране: дело на Едмонд Х. Фишер ". Списание за биологична химия. 286 (3).
  • Шарма, Саумя; Гутри, Патрик Н.; Chan, Suzanne S.; Хак, Сиед; Taegtmeyer, Heinrich (2007-10-01). „Необходимо е фосфорилиране на глюкоза за сигнал, зависим от инсулин mTOR в сърцето“. Сърдечно-съдови изследвания. 76 (1): 71–80.