Fosforilarea este un proces fundamental al biochimiei care are loc nu numai în organismul uman, ci în toate lucrurile vii cu un nucleu și bacterii celulare. Este o parte indispensabilă a transducției semnalului intracelular și un mod important de control al comportamentului celular. De cele mai multe ori, componentele proteinelor sunt fosforilate, dar și alte molecule, cum ar fi zahărul, pot servi ca substrat. Din punct de vedere chimic, fosforilarea proteinelor creează o legătură esteră a acidului fosforic.
Ce este fosforilarea?
Termenul de fosforilare descrie transferul grupărilor de fosfați în molecule organice - în mare parte acestea sunt reziduurile de aminoacizi care formează proteine. Fosfatii au o structură tetraedrică formată dintr-un atom de fosfor central și patru atomi de oxigen legați covalent.
Grupurile de fosfați au o dublă încărcare negativă. Sunt transferați într-o moleculă organică de către enzime specifice, așa-numitele kinaze. Odată cu consumul de energie, aceștia leagă de obicei reziduurile de fosfat de o grupare hidroxil a unei proteine, astfel încât se formează un ester cu acid fosforic. Totuși, acest proces este reversibil, adică. acesta poate fi inversat, din nou, de anumite enzime. Astfel de enzime care se despart de grupările fosfat sunt, în general, denumite fosfataze.
Atât kinazele, cât și fosfatazele reprezintă fiecare o clasă proprie de enzime, care poate fi împărțită în alte subclase, în conformitate cu diverse criterii, cum ar fi tipul de substrat sau mecanismul de activare.
Funcție și sarcină
Un rol crucial al fosfaților, în special al polifosfaților, în organism este furnizarea de energie. Cel mai proeminent exemplu în acest sens este ATP (adenozina trifosfat), care este principalul purtător de energie din organism. Prin urmare, stocarea de energie în organismul uman înseamnă, de obicei, sinteza ATP.
Pentru a face acest lucru, un reziduu de fosfat trebuie transferat într-o moleculă ADP (adenozină difosfat), astfel încât lanțul grupărilor sale fosfat, care sunt legate prin legături de anhidridă fosforică, să fie extins. Molecula rezultată se numește ATP (adenozina trifosfat). Energia stocată în acest mod este obținută din clivajul reînnoit al obligațiunii, lăsând ADP în urmă. Un alt fosfat poate fi, de asemenea, împărțit, prin care se formează AMP (adenozina monofosfat). De fiecare dată când un fosfat este divizat, celula are peste 30 kJ pe aluniță disponibilă.
Zahărul este, de asemenea, fosforilat în cursul metabolismului glucidelor umane din motive energetice. Se vorbește, de asemenea, despre o „fază de colectare” și o „fază de recuperare” a glicolizei, deoarece energia sub formă de grupări fosfat trebuie mai întâi să fie investită în materiile prime pentru a obține ulterior ATP. În plus, glucoza, de exemplu sub formă de glucoză-6-fosfat, nu mai poate difuza fără obstacole prin membrana celulară și, prin urmare, este fixată în interiorul celulei, unde este necesară pentru alte etape metabolice importante.
În plus, fosforilările și reacțiile lor inversă, pe lângă inhibiția alosterică și concurențială, reprezintă mecanismele decisive pentru reglarea activității celulare.În cele mai multe cazuri, proteinele sunt fosforilate sau defosforilate. Aminoacizii serină, treonină și tirozină conținute în proteine sunt modificate cel mai frecvent, serina fiind implicată în majoritatea covârșitoare a fosforilărilor. În cazul proteinelor cu activitate enzimatică, ambele procese pot duce la activare, precum și la inactivare, în funcție de structura moleculei.
În mod alternativ, (de) fosforilarea prin transferul sau îndepărtarea unei încărcări duble negative poate duce, de asemenea, la modificarea conformației proteinei, astfel încât anumite alte molecule se pot lega de domeniile proteice afectate sau pur și simplu nu mai sunt. Un exemplu al acestui mecanism este clasa receptorilor cuplați cu proteina G.
Ambele mecanisme joacă un rol deosebit în transmiterea semnalelor în interiorul celulei și în reglarea metabolismului celular. Acestea pot influența comportamentul unei celule fie direct prin activitatea enzimei, fie indirect prin transcripția și translația ADN-ului modificat.
Boli și afecțiuni
La fel de universale și fundamentale ca funcțiile fosforilărilor, consecințele dacă acest mecanism de reacție este perturbat sunt la fel de variate. Un defect sau o inhibiție a fosforilării, de obicei declanșate de lipsa proteinelor kinazei sau de deficiența acestora, pot duce la boli metabolice, boli ale sistemului nervos și ale mușchilor sau leziuni ale organelor individuale. Celulele nervoase și musculare sunt adesea afectate mai întâi, care se manifestă în simptome neurologice și slăbiciune musculară.
Într-o mică măsură, unele tulburări ale kinazelor sau fosfatazelor pot fi compensate de către organism, deoarece există uneori mai multe moduri de a transmite un semnal și astfel „punctul defect” din lanțul de semnal poate fi ocolit. Apoi, de exemplu, o altă proteină o înlocuiește pe cea defectă. O eficiență redusă a enzimelor, pe de altă parte, poate fi compensată prin simpla creștere a producției.
Toxinele interne și externe, precum și mutațiile genetice sunt posibile cauze ale unei deficiențe sau disfuncționalități ale kinazelor și fosfatazelor.
Dacă o astfel de mutație are loc în ADN-ul mitocondriilor, există efecte negative asupra fosforilării oxidative și deci a sintezei ATP, sarcina principală a acestor organule celulare. O astfel de boală mitocondrială este, de exemplu, LHON (neuropatie optică ereditară Leber), în care există o pierdere rapidă a vederii, uneori în combinație cu aritmii cardiace. Această boală este moștenită matern, adică. exclusiv de la mamă, deoarece doar ADN-ul ei mitocondrial este transmis copilului, dar nu cel al tatălui.
