Fosforilacija je temeljni biokemijski proces, ki se ne dogaja le v človeškem organizmu, temveč v vseh živih organizmih z jedrom in bakterije. Je nepogrešljiv sestavni del znotrajceličnega prenosa signala in pomemben način nadzora vedenja celic. Večinoma komponente beljakovin so fosforilirani, ampak drugi molekule kot so sladkorji, lahko služijo tudi kot substrati. Na kemijski ravni opazovanja je fosforilacija beljakovin rezultira v a fosforna kislina estra obveznice.
Kaj je fosforilacija?
Fosforilacija je temeljni biokemijski proces, ki poteka v človeškem organizmu. Fosforilacija zagotavlja energijo celici. Izraz fosforilacija se nanaša na prenos fosfat skupin do ekoloških molekule – običajno aminokislinske ostanke, ki pobotati se beljakovin. Fosfati imajo tetraedrično strukturo, sestavljeno iz osrednjega atoma fosfor in štiri okoliške kovalentno vezane kisik atomi. fosfat skupine imajo dvojni negativni naboj. Njihov prenos v organsko molekulo poteka preko specifičnih encimi, tako imenovane kinaze. Porabo energije, te običajno vežejo na fosfat ostanek na hidroksi skupino proteina, ki tvori a fosforna kislina estra. Vendar pa je ta proces reverzibilen, tj. ga je mogoče obrniti, spet z določenimi encimi. Taki encimi, ki odcepijo fosfat geuppen, na splošno imenujemo fosfataze. Tako kinaze kot fosfataze predstavljajo ločen razred encimov, ki jih je mogoče nadalje razdeliti v podrazrede glede na različne kriterije, kot je narava substrata ali mehanizem aktivacije.
Funkcija in naloga
Ključni pomen fosfatov, predvsem polifosfatov, v organizmu je zagotavljanje energije. Najvidnejši primer je ATP (adenozin trifosfat), ki velja za glavnega prenašalca energije v telesu. Zato shranjevanje energije v človeškem organizmu običajno pomeni sintezo ATP. Za to je treba ostanek fosfata prenesti na molekulo ADP (adenozin difosfat), tako da se njegova veriga fosfatnih skupin, povezanih z anhidridnimi vezmi fosforjeve kisline, podaljša. Nastala molekula se imenuje ATP (adenozin trifosfat). Tako shranjena energija se pridobi iz ponovne cepitve vezi, pri čemer ostane ADP. Možna je tudi cepitev drugega fosfata, pri čemer nastane AMP (adenozin monofosfat). Vsaka cepitev fosfata daje celici na voljo več kot 30 kJ na mol. Sladkorji so tudi fosforilirani med potekom človeške presnove ogljikovih hidratov iz energetskih razlogov. Glikoliza se imenuje tudi »faza zbiranja« in »faza pridobivanja«, ker je treba energijo v obliki fosfatnih skupin najprej vložiti v izhodne materiale za kasnejše pridobivanje ATP. poleg tega glukoze, na primer kot glukoza-6-fosfat, ne more več neovirano difundirati skozi celična membrana in je tako fiksiran znotraj celice, kjer je potreben za nadaljnje pomembne presnovne korake. Poleg tega fosforilacije in njihove reverzne reakcije skupaj z alosterično in kompetitivno inhibicijo predstavljajo ključne mehanizme za uravnavanje celične aktivnosti. V tem procesu so beljakovine večinoma fosforilirane ali defosforilirane. The aminokisline najpogosteje modificirani so serin, treonin in tirozin, ki so prisotni v beljakovinah, pri čemer je serin vključen v veliko večino fosforilacij. Pri proteinih z encimsko aktivnostjo lahko oba procesa vodi na aktivacijo ali inaktivacijo, odvisno od strukture molekule. Alternativno lahko tudi (de)fosforilacija s prenosom ali odvzemom dvojnega negativnega naboja vodi na spremembo konformacije proteina tako, da nekatere druge molekule se lahko veže na prizadete proteinske domene ali pa tudi ne. Primer tega mehanizma je razred G protein sklopljenih receptorjev. Oba mehanizma igrata pomembno vlogo pri prenosu signala v celici in pri regulaciji celičnega metabolizma. Na obnašanje celice lahko vplivajo bodisi neposredno preko encimske aktivnosti bodisi posredno, preko spremenjenega prepisovanja in prevajanja DNA.
Bolezni in bolezni
Čeprav so funkcije fosforilacij univerzalne in temeljne, so posledice, ko je ta reakcijski mehanizem oslabljen, mnogotere. Napaka ali zaviranje fosforilacije, ki jo običajno sproži pomanjkanje protein kinaz ali njihova okvara, lahko vodi do presnovnih bolezni, bolezni živčni sistem in mišic ali med drugim poškodbe posameznih organov. Najprej so pogosto prizadete živčne in mišične celice, kar se kaže v nevroloških simptomih in mišični oslabelosti. V majhnem obsegu lahko telo kompenzira nekatere motnje kinaz ali fosfataz, saj je v nekaterih primerih na voljo več poti za prenos signala in tako lahko zaobidemo »okvarjeno mesto« v signalni verigi. Potem na primer druga beljakovina nadomesti okvarjeno. Zmanjšano učinkovitost encimov pa je mogoče nadomestiti s preprosto večjo proizvodnjo. Možni vzroki pomanjkanja ali okvare kinaz in fosfataz so notranji in zunanji toksini ter genetske mutacije. Če pride do takšne mutacije v DNK mitohondriji, obstajajo negativni učinki na oksidativno fosforilacijo in s tem sintezo ATP, glavno nalogo teh celičnih organelov. Ena taka mitohondrijska bolezen je LHON (Leberjeva dedna optična nevropatija), pri kateri pride do hitre izgube vida, včasih v kombinaciji z srčne aritmije. Ta bolezen se deduje maternalno, torej izključno od matere, saj se na otroka prenese samo njena mitohondrijska DNK, očetova pa ne.
