Phosphorylering

Det Phosphorylering er en grundlæggende biokemisk proces, der finder sted ikke kun i den menneskelige organisme, men i alle levende ting med en cellekerne og bakterier. Det er en uundværlig del af intracellulær signaltransduktion og en vigtig måde at kontrollere celleopførsel. Det meste af tiden fosforyleres komponenter af proteiner, men andre molekyler som sukker kan også tjene som underlag. Fra et kemisk synspunkt skaber phosphorylering af proteiner en phosphorsyreesterbinding.

Hvad er fosforylering?

Udtrykket fosforylering beskriver overførslen af ​​fosfatgrupper til organiske molekyler - det drejer sig mest om aminosyrerester, der udgør proteiner. Fosfaterne har en tetrahedral struktur, der består af et centralt fosforatom og fire omgivende, kovalent bundne iltatomer.

Fosfatgrupper har en dobbelt negativ ladning. De overføres til et organisk molekyle af specifikke enzymer, såkaldte kinaser. Med energiforbrug binder disse normalt fosfatresten til en hydroxylgruppe af et protein, så der dannes en phosphorsyreester. Imidlertid er denne proces reversibel, dvs. det kan vendes igen med visse enzymer. Sådanne enzymer, der opdeler phosphatgrupper, benævnes generelt phosphataser.

Både kinaser og fosfataser repræsenterer hver deres egen enzymklasse, som kan opdeles i yderligere underklasser i henhold til forskellige kriterier, såsom typen af ​​substrat eller aktiveringsmekanismen.

Funktion & opgave

En afgørende rolle af fosfater, især polyfosfater, i organismen er energiforsyningen. Det mest fremtrædende eksempel på dette er ATP (adenosintriphosphat), som er den vigtigste energibærer i kroppen. Energilagring i den menneskelige organisme betyder derfor normalt syntesen af ​​ATP.

For at gøre dette skal en phosphatrest overføres til et ADP (adenosindiphosphat) molekyle, så dets kæde af phosphatgrupper, der er bundet via phosphorsyreanhydridbindinger, udvides. Det resulterende molekyle kaldes ATP (adenosintriphosphat). Energien, der er lagret på denne måde, opnås fra den fornyede spaltning af bindingen, hvilket efterlader ADP. Et yderligere phosphat kan også opdeles, hvorved AMP (adenosinmonophosphat) dannes. Hver gang et phosphat opdeles, har cellen mere end 30 kJ pr. Mol tilgængelig.

Sukker fosforyleres også i løbet af humant kulhydratmetabolisme af energiske grunde. Man taler også om en "opsamlingsfase" og en "genvindingsfase" af glykolyse, da energi i form af fosfatgrupper først skal investeres i udgangsmaterialerne for at få ATP senere. Derudover kan glukose, for eksempel som glucose-6-phosphat, ikke længere diffundere uhindret gennem cellemembranen og er derfor fastgjort inde i cellen, hvor det kræves til andre vigtige metaboliske trin.

Derudover repræsenterer phosphorylationer og deres reversreaktioner ud over allosterisk og konkurrencedygtig inhibering de afgørende mekanismer til regulering af celleaktivitet I de fleste tilfælde er proteiner phosphoryleret eller dephosphoryleret. Aminosyrerne serin, threonin og tyrosin indeholdt i proteiner modificeres hyppigst, idet serin er involveret i det overvældende flertal af fosforyleringer. I tilfælde af proteiner med enzymaktivitet kan begge processer føre til aktivering såvel som inaktivering, afhængigt af molekylets struktur.

Alternativt kan (de) -fosforylering ved at overføre eller fjerne en dobbelt negativ ladning også føre til, at proteinets konformation ændres på en sådan måde, at visse andre molekyler kan binde til de berørte proteindomæner eller ikke længere. Et eksempel på denne mekanisme er klassen af ​​G-protein-koblede receptorer.

Begge mekanismer spiller en enestående rolle i transmission af signaler i cellen og i reguleringen af ​​cellemetabolismen. De kan påvirke en celles opførsel enten direkte via enzymaktiviteten eller indirekte via ændret transkription og translation af DNA'et.

Sygdomme og lidelser

Så universelle og grundlæggende som fosforyleringsfunktioner er konsekvenserne af denne reaktionsmekanisme lige så forskellige. En defekt eller en hæmning af fosforylering, normalt udløst af mangel på proteinkinaser eller deres mangel, kan føre til metaboliske sygdomme, sygdomme i nervesystemet og muskler eller individuelle organskader. Nerve- og muskelceller påvirkes ofte først, hvilket manifesterer sig i neurologiske symptomer og muskelsvaghed.

I en lille grad kan nogle lidelser i kinaser eller phosphataser kompenseres af kroppen, da der undertiden er flere måder at videresende et signal på, og således kan det "defekte punkt" i signalkæden omgås. Derefter erstatter for eksempel et andet protein det defekte. En reduceret effektivitet af enzymerne på den anden side kan kompenseres ved blot at øge produktionen.

Interne og eksterne toksiner såvel som genetiske mutationer er mulige årsager til en mangel eller funktionsfejl i kinaser og fosfataser.

Hvis en sådan mutation finder sted i mitokondriens DNA, er der negative effekter på oxidativ fosforylering og dermed ATP-syntese, disse celleorganelers hovedopgave. En sådan mitokondrisk sygdom er for eksempel LHON (Leber arvelig optisk neuropati), hvor der er et hurtigt tab af synet, undertiden i kombination med hjertearytmier. Denne sygdom er arveligt maternalt, dvs. udelukkende fra moren, da kun hendes mitokondrielle DNA overføres til barnet, men ikke farens.