Фосфорилювання

The Фосфорилювання - це фундаментальний процес біохімії, який відбувається не тільки в організмі людини, а й у всьому живому, що має клітинне ядро ​​та бактерії. Це незамінна частина внутрішньоклітинної передачі сигналу і важливий спосіб контролю поведінки клітин. Більшу частину часу компоненти білків фосфорилюють, але інші молекули, такі як цукор, також можуть служити субстратами. З хімічної точки зору фосфорилювання білків створює зв'язок ефіру фосфорної кислоти.

Що таке фосфорилювання?

Термін фосфорилювання описує перенесення фосфатних груп в органічні молекули - в основному це залишки амінокислот, які складають білки. Фосфати мають чотиригранну структуру, що складається з центрального атома фосфору та чотирьох навколишніх, ковалентно пов'язаних атомів кисню.

Фосфатні групи мають подвійний негативний заряд. Вони переносяться в органічну молекулу специфічними ферментами, так званими кіназами. При споживанні енергії вони зазвичай пов'язують залишки фосфату з гідроксильною групою білка, так що утворюється ефір фосфорної кислоти. Однак цей процес є оборотним, тобто його можна повернути, знову ж таки, певними ферментами. Такі ферменти, що розщеплюють фосфатні групи, зазвичай називають фосфатазами.

І кінази, і фосфатази представляють власний ферментний клас, який можна підрозділити на наступні підкласи за різними критеріями, такими як тип субстрату або механізм активації.

Функція та завдання

Вирішальну роль фосфатів, особливо поліфосфатів, в організмі грає запас енергії. Найвизначнішим прикладом цього є АТФ (аденозинтрифосфат), який є основним носієм енергії в організмі. Тому накопичення енергії в організмі людини зазвичай означає синтез АТФ.

Для цього залишок фосфату необхідно перенести до молекули АДФ (аденозиндифосфату), щоб його ланцюг фосфатних груп, які пов'язані через фосфорні ангідридні зв’язки, розширився. Отримана молекула називається АТФ (аденозинтрифосфат). Енергія, накопичена таким чином, отримується від оновленого розщеплення зв’язку, залишаючи АДФ позаду. Наступний фосфат також може бути розщеплений, завдяки чому утворюється АМФ (аденозинмонофосфат). Щоразу, коли фосфат розщеплюється, у клітині є більше 30 кДж на моль.

Цукор також фосфорилюється в процесі метаболізму вуглеводів людини з енергетичних причин. Можна також говорити про "фазу збирання" та "фазу відновлення" гліколізу, оскільки енергію у вигляді фосфатних груп спочатку потрібно вкласти у вихідні матеріали, щоб згодом отримати АТФ. Крім того, глюкоза, наприклад глюкозо-6-фосфат, вже не може безперешкодно дифундувати через клітинну мембрану і тому фіксується всередині клітини, де це потрібно для інших важливих метаболічних етапів.

Крім того, фосфорилювання та їх зворотні реакції, крім аллостеричного та конкурентного гальмування, є визначальними механізмами регуляції клітинної активності. У більшості випадків білки фосфорильовані або дефосфорильовані. Амінокислоти серин, треонін та тирозин, що містяться в білках, модифікуються найчастіше, причому серин бере участь у переважній більшості фосфориляцій. Що стосується білків з активністю ферменту, то обидва процеси можуть призводити до активації, а також до інактивації, залежно від структури молекули.

Альтернативно, (де) фосфорилювання шляхом перенесення або видалення подвійного негативного заряду може також призвести до зміни конформації білка таким чином, що деякі інші молекули можуть зв'язуватися з ураженими білковими доменами або більше не бути. Прикладом цього механізму є клас рецепторів, пов'язаних з G-білком.

Обидва механізми відіграють неабияку роль у передачі сигналів всередині клітини та в регуляції клітинного обміну. Вони можуть впливати на поведінку клітини як безпосередньо через активність ферменту, так і опосередковано через змінену транскрипцію та трансляцію ДНК.

Хвороби та недуги

Настільки ж універсальні та фундаментальні, як і функції фосфорилювання, наслідки, якщо цей механізм реакції порушено, такі ж різноманітні. Дефект або пригнічення фосфорилювання, як правило, спричинене нестачею протеїнкіназ або їх дефіцитом, може призвести до обмінних захворювань, захворювань нервової системи та м’язів або до пошкодження окремих органів. Спочатку нерідко уражаються нервові та м’язові клітини, що виявляється в неврологічних симптомах і м’язовій слабкості.

У незначній мірі деякі порушення кіназ або фосфатаз можуть компенсуватися організмом, оскільки іноді існує декілька способів передачі сигналу, і, таким чином, "несправна точка" в ланцюзі сигналів може бути обійдена. Тоді, наприклад, інший білок замінює бракований. З іншого боку, знижену ефективність ферментів можна компенсувати простим збільшенням продукції.

Внутрішні та зовнішні токсини, а також генетичні мутації є можливими причинами дефіциту або несправності кіназ і фосфатаз.

Якщо така мутація має місце в ДНК мітохондрій, це негативний вплив на окислювальне фосфорилювання і, таким чином, синтез АТФ, головне завдання цих клітинних органел. Такою мітохондріальною хворобою є, наприклад, ЛХОН (спадкова нейропатія Лебера), при якій спостерігається швидка втрата зору, іноді в поєднанні з серцевою аритмією. Це захворювання успадковується по матері, тобто виключно від матері, оскільки дитині передається лише її мітохондріальна ДНК, але не тато батька.