fosforilacija

fosforilacija je temeljni proces biokemije koji se odvija ne samo u ljudskom organizmu, već u svemu živom biću s staničnom jezgrom i bakterijama. Nezaobilazan je dio intracelularne transdukcije signala i važan način kontrole ponašanja stanica. Većinu vremena komponente proteina su fosforilirane, ali druge molekule poput šećera također mogu poslužiti kao supstrati. S kemijskog stajališta, fosforilacija proteina stvara vezu estera fosforne kiseline.

Što je fosforilacija?

Pojam fosforilacija opisuje prijenos fosfatnih skupina u organske molekule - uglavnom su to aminokiselinski ostaci koji čine proteine. Fosfati imaju tetraedarsku strukturu koju čine središnji atom fosfora i četiri okolna kovalentno vezana atoma kisika.

Fosfatne skupine imaju dvostruko negativan naboj. Oni se prenose u organsku molekulu specifičnim enzimima, takozvanim kinazama. Uz potrošnju energije, oni obično vežu ostatak fosfata na hidroksilnu skupinu proteina, tako da nastaje ester fosforne kiseline. Međutim, taj je postupak reverzibilan, tj. može se preokrenuti, opet pomoću određenih enzima. Takvi enzimi koji razdvajaju fosfatne skupine općenito se nazivaju fosfatazama.

I kinaze i fosfataze predstavljaju svoju enzimsku klasu koja se može podijeliti u sljedeće podklase prema različitim kriterijima kao što su vrsta supstrata ili mehanizam aktivacije.

Funkcija i zadatak

Presudna uloga fosfata, posebno polifosfata, u organizmu je opskrba energijom. Najistaknutiji primjer toga je ATP (adenozin trifosfat), koji je glavni nositelj energije u tijelu. Skladištenje energije u ljudskom organizmu stoga obično znači sintezu ATP-a.

Da bi se to postiglo, fosfatni ostatak mora biti prebačen na molekulu ADP (adenozin difosfat) tako da se njegov lanac fosfatnih skupina, koji su povezani fosfornim anhidridnim vezama, proširuje. Nastala molekula naziva se ATP (adenosin trifosfat). Energija pohranjena na ovaj način dobiva se iz obnovljenog cijepanja veze, ostavljajući ADP iza sebe. Daljnji fosfat se također može odvojiti pri čemu nastaje AMP (adenozin monofosfat). Svaki put kada se fosfat odvoji, stanica ima više od 30 kJ po molu.

Šećer se također fosforilira tijekom ljudskog metabolizma ugljikohidrata iz energetskih razloga. Govori se i o "fazi sakupljanja" i o "fazi oporavka" glikolize, jer se energija u obliku fosfatnih skupina prvo mora uložiti u polazne tvari da bi se kasnije dobio ATP. Pored toga, glukoza, na primjer glukoza-6-fosfat, više ne može neometano difundirati kroz staničnu membranu i stoga je fiksirana unutar ćelije, gdje je potrebna za druge važne metaboličke korake.

Uz to, fosforilacije i njihove reverzne reakcije, pored alosterične i natjecateljske inhibicije, predstavljaju odlučujući mehanizam za regulaciju stanične aktivnosti, a u većini slučajeva proteini se fosforiliraju ili defosforiliraju. Aminokiseline serin, treonin i tirozin sadržane u proteinima mijenjaju se najčešće, pri čemu serin sudjeluje u ogromnoj većini fosforilacija. U slučaju proteina s aktivnostima enzima, oba procesa mogu dovesti do aktivacije, kao i do inaktivacije, ovisno o strukturi molekule.

Alternativno, (de) fosforilacija prijenosom ili uklanjanjem dvostrukog negativnog naboja također može dovesti do promjene konformacije proteina na takav način da se neke druge molekule mogu vezati na zahvaćene proteinske domene ili se više ne mogu. Primjer ovog mehanizma je klasa receptora povezanih G-proteina.

Oba mehanizma igraju izvanrednu ulogu u prijenosu signala unutar stanice i u regulaciji staničnog metabolizma. Oni mogu utjecati na ponašanje stanice bilo izravno putem enzimske aktivnosti ili neizravno pomoću promijenjene transkripcije i prevođenja DNA.

Bolesti i bolesti

Kao univerzalne i temeljne funkcije fosforilacije, posljedice ako se ovaj mehanizam reakcije poremeti jednako su raznolike. Poraz ili inhibicija fosforilacije, obično potaknuta nedostatkom proteina kinaza ili njihovim nedostatkom, može dovesti do metaboličkih bolesti, bolesti živčanog sustava i mišića ili do oštećenja pojedinih organa. Prvo se često oštećuju živčane i mišićne stanice, što se očituje u neurološkim simptomima i mišićnoj slabosti.

Tijelo se u maloj mjeri može nadoknaditi nekim poremećajima kinaza ili fosfataza, jer ponekad postoji nekoliko načina prosljeđivanja signala i na taj način „neispravna točka“ u signalnom lancu može se zaobići. Tada, na primjer, neki drugi protein zamjenjuje neispravni. Smanjena učinkovitost enzima, s druge strane, može se nadoknaditi jednostavnim povećanjem proizvodnje.

Unutarnji i vanjski toksini kao i genetske mutacije mogući su uzroci nedostatka ili neispravnosti kinaza i fosfataza.

Ako se takva mutacija dogodi u DNK mitohondrija, negativni su učinci na oksidativnu fosforilaciju i time na sintezu ATP-a, što je glavni zadatak ovih staničnih organela. Takva mitohondrijska bolest je, na primjer, LHON (Leber-ova nasljedna optička neuropatija), u kojoj dolazi do brzog gubitka vida, ponekad u kombinaciji sa srčanim aritmijama. Ova se bolest nasljeđuje majčinski, tj. isključivo od majke, jer se djetetu prenosi samo njezin mitohondrijski DNK, ali ne i otac.