Čo je fosforylácia a ako funguje?
Oxidačná, glukózová a proteínová fosforylácia
MOLEKULA / Getty Images
Fosforylácia je chemická adícia fosforylovej skupiny (PO3-) na organickú molekula . Odstránenie fosforylovej skupiny sa nazýva defosforylácia. Uskutočňuje sa fosforylácia aj defosforylácia pomocou enzýmov (napr. kinázy, fosfotransferázy). Fosforylácia je dôležitá v oblasti biochémie a molekulárnej biológie, pretože je kľúčovou reakciou vo funkcii bielkovín a enzýmov, metabolizme cukrov a skladovaní a uvoľňovaní energie.
Účely fosforylácie
Fosforylácia hrá rozhodujúcu regulačnú úlohu v bunky . Medzi jeho funkcie patrí:
- Dôležité pre glykolýzu
- Používa sa na interakciu proteín-proteín
- Používa sa pri degradácii bielkovín
- Reguluje inhibíciu enzýmov
- Udržuje homeostázu reguláciou chemických reakcií vyžadujúcich energiu
Typy fosforylácie
Mnoho typov molekúl môže podstúpiť fosforyláciu a defosforyláciu. Tri z najdôležitejších typov fosforylácie sú fosforylácia glukózy, fosforylácia proteínov a oxidačná fosforylácia.
Fosforylácia glukózy
Glukóza a iné cukry sú často fosforylované ako ich prvý krok katabolizmus . Napríklad prvým krokom glykolýzy D-glukózy je jej premena na D-glukóza-6-fosfát. Glukóza je malá molekula, ktorá ľahko preniká do buniek. Fosforylácia tvorí väčšiu molekulu, ktorá nemôže ľahko vstúpiť do tkaniva. Fosforylácia je teda rozhodujúca pre reguláciu koncentrácie glukózy v krvi. Koncentrácia glukózy zasa priamo súvisí s tvorbou glykogénu. Fosforylácia glukózy je tiež spojená s rastom srdca.
Fosforylácia proteínov
Phoebus Levene z Rockefellerovho inštitútu pre lekársky výskum ako prvý identifikoval fosforylovaný proteín (phosvitín) v roku 1906, ale enzymatická fosforylácia proteínov bola opísaná až v 30. rokoch 20. storočia.
Fosforylácia proteínu nastáva, keď sa k nemu pridá fosforylová skupina aminokyselina . Obvykle je aminokyselinou serín, hoci fosforylácia sa vyskytuje aj na treoníne a tyrozíne v eukaryotoch a histidín v prokaryotoch. Toto je esterifikačná reakcia, pri ktorej fosfátová skupina reaguje s hydroxylovou (-OH) skupinou serínového, treonínového alebo tyrozínového bočného reťazca. Enzým proteín kináza kovalentne viaže fosfátovú skupinu na aminokyselinu. Presný mechanizmus sa medzi nimi trochu líši prokaryoty a eukaryoty . Najlepšie študovanými formami fosforylácie sú posttranslačné modifikácie (PTM), čo znamená, že proteíny sú fosforylované po translácii z RNA templátu. Reverznú reakciu, defosforyláciu, katalyzujú proteínové fosfatázy.
Dôležitým príkladom fosforylácie proteínov je fosforylácia histónov. V eukaryotoch vzniká DNA spojená s histónovými proteínmi chromatín . Histónová fosforylácia modifikuje štruktúru chromatínu a mení jeho interakcie proteín-proteín a DNA-proteín. K fosforylácii zvyčajne dochádza, keď je DNA poškodená, čím sa otvára priestor okolo zlomenej DNA, takže opravné mechanizmy môžu vykonávať svoju prácu.
Okrem svojho významu v oprava DNA Fosforylácia proteínov hrá kľúčovú úlohu v metabolizme a signálnych dráhach.
Oxidačná fosforylácia
Oxidačná fosforylácia je spôsob, akým bunka ukladá a uvoľňuje chemickú energiu. V eukaryotickej bunke prebiehajú reakcie v mitochondriách. Oxidačná fosforylácia pozostáva z reakcií elektrónový transportný reťazec a tie z chemiosmózy. Stručne povedané, redoxná reakcia prechádza elektrónmi z proteínov a iných molekúl pozdĺž elektrónového transportného reťazca vo vnútornej membráne mitochondrií, čím sa uvoľňuje energia, ktorá sa používa na výrobu adenosintrifosfátu (ATP) pri chemiosmóze.
V tomto procese NADH a FADHdvadodávať elektróny do elektrónového transportného reťazca. Elektróny sa pohybujú z vyššej energie na nižšiu energiu, keď postupujú pozdĺž reťazca, pričom uvoľňujú energiu. Časť tejto energie ide na čerpanie vodíkových iónov (H+) za vzniku elektrochemického gradientu. Na konci reťazca sa elektróny prenášajú na kyslík, ktorý sa spája s H+aby sa vytvorila voda. H+ióny dodávajú energiu pre ATP syntázu syntetizovať ATP . Keď je ATP defosforylovaný, štiepenie fosfátovej skupiny uvoľňuje energiu vo forme, ktorú môže bunka využiť.
Adenozín nie je jedinou bázou, ktorá podlieha fosforylácii za vzniku AMP, ADP a ATP. Napríklad guanozín môže tiež tvoriť GMP, GDP a GTP.
Detekcia fosforylácie
To, či molekula bola alebo nebola fosforylovaná, sa dá zistiť pomocou protilátok, elektroforéza , alebo hmotnostná spektrometria . Identifikácia a charakterizácia fosforylačných miest je však náročná. Izotopové značenie sa často používa v spojení s fluorescencia elektroforéza a imunotesty.
Zdroje
- Kresge, Nicole; Simoni, Robert D.; Hill, Robert L. (2011-01-21). „Proces reverzibilnej fosforylácie: Dielo Edmonda H. Fischera“. Journal of Biological Chemistry . 286 (3).
- Sharma, Saumya; Guthrie, Patrick H.; Chan, Suzanne S.; Haq, Syed; Taegtmeyer, Heinrich (2007-10-01). „Fosforylácia glukózy je potrebná na signalizáciu mTOR v srdci závislú od inzulínu“. Kardiovaskulárny výskum . 76(1):71-80.