фосфорилирования

фосфорилирования это фундаментальный процесс биохимии, который имеет место не только в организме человека, но и во всех живых существах с ядром клетки и бактериями. Это незаменимая часть внутриклеточной передачи сигнала и важный способ управления поведением клеток. В большинстве случаев компоненты белков фосфорилируются, но другие молекулы, такие как сахар, также могут служить субстратами. С химической точки зрения фосфорилирование белков создает эфирную связь фосфорной кислоты.

Что такое фосфорилирование?

Термин фосфорилирование описывает перенос фосфатных групп в органические молекулы - в основном это аминокислотные остатки, из которых состоят белки. Фосфаты имеют тетраэдрическую структуру, состоящую из центрального атома фосфора и четырех окружающих ковалентно связанных атомов кислорода.

Фосфатные группы имеют двойной отрицательный заряд. Они передаются в органическую молекулу специфическими ферментами, так называемыми киназами. При потреблении энергии они обычно связывают фосфатный остаток с гидроксильной группой белка, так что образуется сложный эфир фосфорной кислоты. Однако этот процесс обратимый, т.е. это можно обратить вспять, опять же, с помощью определенных ферментов. Такие ферменты, которые отщепляют фосфатные группы, обычно называют фосфатазами.

И киназы, и фосфатазы представляют каждый свой собственный класс ферментов, который можно подразделить на дополнительные подклассы в соответствии с различными критериями, такими как тип субстрата или механизм активации.

Функция и задача

Решающая роль фосфатов, особенно полифосфатов, в организме - обеспечение энергией. Наиболее ярким примером этого является АТФ (аденозинтрифосфат), который является основным энергоносителем в организме. Поэтому накопление энергии в организме человека обычно означает синтез АТФ.

Для этого необходимо перенести фосфатный остаток на молекулу АДФ (аденозиндифосфата) так, чтобы ее цепь фосфатных групп, связанных связями фосфорного ангидрида, была удлинена. Полученная молекула называется АТФ (аденозинтрифосфат). Энергия, накопленная таким образом, получается из нового разрыва связи, оставляя позади АДФ. Также можно отщепить еще один фосфат, в результате чего образуется АМФ (аденозинмонофосфат). Каждый раз, когда отщепляется фосфат, в ячейке остается более 30 кДж на моль.

Сахар также фосфорилируется в процессе углеводного обмена человека по энергетическим причинам. Также говорят о «фазе сбора» и «фазе восстановления» гликолиза, поскольку энергия в виде фосфатных групп должна быть сначала вложена в исходные материалы, чтобы позже получить АТФ. Кроме того, глюкоза, например в виде глюкозо-6-фосфата, больше не может беспрепятственно диффундировать через клеточную мембрану и, следовательно, фиксируется внутри клетки, где она требуется для других важных метаболических этапов.

Кроме того, фосфорилирование и их обратные реакции, помимо аллостерического и конкурентного ингибирования, представляют собой решающие механизмы регуляции клеточной активности.В большинстве случаев белки фосфорилируются или дефосфорилируются. Чаще всего модифицируются аминокислоты серин, треонин и тирозин, содержащиеся в белках, при этом серин участвует в подавляющем большинстве фосфорилирования. В случае белков с ферментативной активностью оба процесса могут приводить как к активации, так и к инактивации, в зависимости от структуры молекулы.

В качестве альтернативы (де) фосфорилирование путем переноса или удаления двойного отрицательного заряда также может привести к изменению конформации белка таким образом, что некоторые другие молекулы могут связываться с затронутыми доменами белка или больше не связываться. Примером этого механизма является класс рецепторов, связанных с G-белком.

Оба механизма играют выдающуюся роль в передаче сигналов внутри клетки и в регуляции клеточного метаболизма. Они могут влиять на поведение клетки либо напрямую через активность фермента, либо опосредованно через измененную транскрипцию и трансляцию ДНК.

Болезни и недуги

Такие же универсальные и фундаментальные, как функции фосфорилирования, последствия нарушения этого механизма реакции столь же разнообразны. Нарушение или ингибирование фосфорилирования, обычно вызванное отсутствием протеинкиназ или их дефицитом, может привести к метаболическим заболеваниям, заболеваниям нервной системы и мышц или повреждению отдельных органов. Часто в первую очередь поражаются нервные и мышечные клетки, что проявляется в неврологических симптомах и мышечной слабости.

В небольшой степени некоторые нарушения киназ или фосфатаз могут быть компенсированы организмом, поскольку иногда существует несколько способов передачи сигнала, и, таким образом, можно обойти «дефектную точку» в сигнальной цепи. Тогда, например, другой белок заменяет дефектный. С другой стороны, снижение эффективности ферментов может быть компенсировано простым увеличением производства.

Внутренние и внешние токсины, а также генетические мутации являются возможными причинами дефицита или неисправности киназ и фосфатаз.

Если такая мутация происходит в ДНК митохондрий, это отрицательно влияет на окислительное фосфорилирование и, следовательно, на синтез АТФ, главную задачу этих клеточных органелл. Таким митохондриальным заболеванием является, например, LHON (наследственная оптическая нейропатия Лебера), при которой происходит быстрая потеря зрения, иногда в сочетании с сердечными аритмиями. Это заболевание передается по материнской линии, т.е. исключительно от матери, поскольку ребенку передается только ее митохондриальная ДНК, но не ДНК отца.