Фосфорилација

Тхе Фосфорилација је основни процес биохемије који се одвија не само у људском организму, већ и у свим живим бићима са ћелијским језгром и бактеријама. Незаобилазан је део интрацелуларне трансдукције сигнала и важан начин контроле понашања ћелија. Већину времена компоненте протеина су фосфорилиране, али други молекули, попут шећера, такође могу послужити као супстрати. Са хемијске тачке гледишта, фосфорилација протеина ствара везу естера фосфорне киселине.

Шта је фосфорилација?

Израз фосфорилација описује преношење фосфатних група у органске молекуле - углавном су то аминокиселински остаци који чине протеине. Фосфати имају тетраедарску структуру коју чине централни атом фосфора и четири околна ковалентно везана атома кисеоника.

Фосфатне групе имају двоструко негативан набој. Преносе се у органски молекул специфичним ензимима, такозваним киназама. Уз потрошњу енергије, они обично везују остатак фосфата на хидроксилну групу протеина, тако да се ствара естер фосфорне киселине. Међутим, тај је процес реверзибилан, тј. може да се преокрене, опет помоћу одређених ензима. Такви ензими који раздвајају фосфатне групе се углавном називају фосфатазама.

И киназе и фосфатазе представљају своју ензимску класу која се може поделити у додатне подкласе према различитим критеријумима као што су врста супстрата или механизам активације.

Функција и задатак

Пресудна улога фосфата, посебно полифосфата, у организму је снабдевање енергијом. Најистакнутији пример за то је АТП (аденосин трифосфат), који је главни носилац енергије у телу. Складиштење енергије у људском организму зато обично значи синтезу АТП-а.

Да би се то постигло, фосфатни остатак мора бити пренесен у молекулу АДП (аденосин-дифосфат) тако да се његов ланац фосфатних група, који су повезани фосфорним анхидридним везама, проширује. Добијени молекул се назива АТП (аденосин трифосфат). На тај начин ускладиштена енергија добија се из поновног цепања везе, остављајући АДП иза себе. Даљи фосфат се такође може одвојити, при чему се формира АМП (аденозин монофосфат). Сваки пут када се фосфат одвоји, ћелија има више од 30 кЈ по молу.

Шећер се такође фосфорилира у току метаболизма угљених хидрата у човеку из енергетских разлога. Такође се говори и о „фази сакупљања“ и „фази опоравка“ гликолизе, јер се енергија у облику фосфатних група прво мора уложити у почетне материје да би се касније добио АТП. Поред тога, глукоза, на пример глукоза-6-фосфат, више не може неометано дифундирати кроз ћелијску мембрану и зато је фиксирана унутар ћелије, где је потребна за друге важне метаболичке кораке.

Поред тога, фосфорилације и њихове реверзне реакције, поред алостеричне и компетитивне инхибиције, представљају одлучујући механизам за регулисање ћелијске активности, а у већини случајева протеини се фосфорилирају или дефосфорилирају. Аминокиселине серин, треонин и тирозин садржан у протеинима модификују се најчешће, при чему серин укључује велику већину фосфорилација. У случају протеина са активностима ензима, оба процеса могу довести до активације, као и до инактивације, зависно од структуре молекула.

Алтернативно, (де) фосфорилација преношењем или уклањањем двоструког негативног набоја такође може довести до конформације протеина која се мења на такав начин да се одређени други молекули могу везати за захваћене протеинске домене или се више не могу. Пример овог механизма је класа рецептора повезаних Г-протеина.

Оба механизма играју изванредну улогу у преносу сигнала унутар ћелије и у регулацији ћелијског метаболизма. Они могу утицати на понашање ћелије било директно путем активности ензима или индиректно измењеном транскрипцијом и преводом ДНК.

Болести и тегобе

Као универзалне и фундаменталне функције фосфорилације, последице ако се овај механизам реакције поремети једнако су разнолике. Пораз или инхибиција фосфорилације, обично изазвана недостатком протеина киназа или њиховим недостатком, може довести до метаболичких болести, болести нервног система и мишића или оштећења појединих органа. Прво су погођене нервне и мишићне ћелије, што се манифестује неуролошким симптомима и слабошћу мишића.

У малој мери, неке поремећаје киназа или фосфатаза тело може надокнадити, јер понекад постоји неколико начина за прослеђивање сигнала и на тај начин се „неисправна тачка“ у сигналном ланцу може заобићи. Затим, на пример, неки други протеин замењује дефектни. С друге стране, смањена ефикасност ензима може се надокнадити једноставним повећањем производње.

Унутрашњи и спољни токсини као и генетске мутације могући су узроци недостатка или неисправности киназа и фосфатаза.

Ако се таква мутација догоди у ДНК митохондрија, постоје негативни ефекти на оксидативну фосфорилацију и тиме на синтезу АТП, што је главни задатак ових ћелијских органела. Таква митохондријална болест је, на пример, ЛХОН (Лебер наследна оптичка неуропатија), код кога долази до брзог губитка вида, понекад у комбинацији са срчаним аритмијама. Ова болест се насљеђује мајчински, тј. искључиво од мајке, јер се детету преноси само њен митохондријски ДНК, али не и отац.