fosforylácie

fosforylácie je základný proces biochémie, ktorý prebieha nielen v ľudskom organizme, ale vo všetkých živých veciach s bunkovým jadrom a baktériami. Je to nevyhnutná súčasť vnútrobunkovej transdukcie signálu a dôležitý spôsob kontroly správania buniek. Zložky proteínov sú väčšinou fosforylované, ale ako substráty môžu slúžiť aj iné molekuly, napríklad cukor. Z chemického hľadiska fosforylácia proteínov vytvára väzbu esteru kyseliny fosforečnej.

Čo je fosforylácia?

Termín fosforylácia opisuje prenos fosfátových skupín na organické molekuly - väčšinou ide o aminokyselinové zvyšky, ktoré tvoria proteíny. Fosfáty majú tetrahedrálnu štruktúru tvorenú centrálnym atómom fosforu a štyrmi okolitými, kovalentne viazanými atómami kyslíka.

Fosfátové skupiny majú dvojitý záporný náboj. Prenesú sa na organickú molekulu pomocou špecifických enzýmov, takzvaných kináz. Pri spotrebe energie obvykle viažu fosfátový zvyšok na hydroxylovú skupinu proteínu, takže vzniká ester kyseliny fosforečnej. Tento proces je však reverzibilný, t.j. môže sa zvrátiť, opäť určitými enzýmami. Takéto enzýmy, ktoré štiepia fosfátové skupiny, sa všeobecne označujú ako fosfatázy.

Tak kinázy, ako aj fosfatázy, každá predstavuje svoju vlastnú triedu enzýmov, ktorú je možné rozdeliť do ďalších podtried podľa rôznych kritérií, ako je typ substrátu alebo mechanizmus aktivácie.

Funkcia a úloha

Kľúčovou úlohou fosfátov, najmä polyfosfátov, v organizme je zásobovanie energiou. Najvýznamnejším príkladom je ATP (adenozíntrifosfát), ktorý je hlavným energetickým nosičom v tele. Ukladanie energie v ľudskom organizme zvyčajne znamená syntézu ATP.

Aby sa to dosiahlo, musí sa fosfátový zvyšok preniesť na molekulu ADP (adenozín difosfát) tak, aby sa predĺžil jeho reťazec fosfátových skupín, ktoré sú spojené prostredníctvom anhydridov fosforečných kyselín. Výsledná molekula sa nazýva ATP (adenozíntrifosfát). Takto uložená energia sa získa z obnoveného štiepenia väzby, pričom ADP zostane pozadu. Môže sa tiež oddeliť ďalší fosfát, čím sa vytvorí AMP (adenozínmonofosfát). Zakaždým, keď sa odštiepi fosfát, má bunka k dispozícii viac ako 30 kJ na mol.

Cukor je tiež fosforylovaný v priebehu metabolizmu uhľohydrátov u ľudí z energetických dôvodov. Hovorí sa tiež o „fáze zhromažďovania“ a „fázy regenerácie“ glykolýzy, pretože energia vo forme fosfátových skupín sa musí najskôr investovať do východiskových materiálov, aby sa neskôr získal ATP. Okrem toho glukóza, napríklad ako glukóza-6-fosfát, už nemôže difundovať bez prekážok cez bunkovú membránu, a preto je fixovaná vo vnútri bunky, kde je to potrebné pre ďalšie dôležité metabolické kroky.

Okrem toho, alosterická a kompetitívna inhibícia, predstavujú fosforylácie a ich reverzné reakcie, rozhodujúce mechanizmy na reguláciu bunkovej aktivity Vo väčšine prípadov sú proteíny fosforylované alebo defosforylované. Aminokyseliny serín, treonín a tyrozín obsiahnuté v proteínoch sú modifikované najčastejšie, pričom serín je zapojený do drvivej väčšiny fosforylácií. V prípade proteínov s enzýmovou aktivitou môžu oba procesy viesť k aktivácii a inaktivácii v závislosti od štruktúry molekuly.

Alternatívne (de) fosforylácia prenosom alebo odstránením dvojitého záporného náboja môže tiež viesť k zmene konformácie proteínu takým spôsobom, že určité ďalšie molekuly sa môžu viazať na ovplyvnené proteínové domény alebo už nie. Príkladom tohto mechanizmu je trieda receptorov spojených s G-proteínom.

Oba mechanizmy hrajú vynikajúcu úlohu pri prenose signálov v bunke a pri regulácii bunkového metabolizmu. Môžu ovplyvňovať správanie bunky priamo prostredníctvom enzýmovej aktivity alebo nepriamo prostredníctvom zmenenej transkripcie a translácie DNA.

Choroby a choroby

Dôsledky, ak je tento reakčný mechanizmus narušený, sú rovnako rozmanité a rovnako univerzálne ako funkcie fosforylácie. Defekt alebo inhibícia fosforylácie, zvyčajne vyvolaná nedostatkom proteínkináz alebo ich nedostatkom, môže viesť k metabolickým ochoreniam, ochoreniam nervového systému a svalov alebo k poškodeniu jednotlivých orgánov. Najskôr sú často postihnuté nervové a svalové bunky, čo sa prejavuje neurologickými príznakmi a slabosťou svalov.

Telo môže do istej miery kompenzovať niektoré poruchy kináz alebo fosfatáz, pretože niekedy existuje niekoľko spôsobov, ako presmerovať signál, a tak sa môže obísť „chybný bod“ v signálnom reťazci. Potom napríklad defektný nahradí iný proteín. Na druhej strane znížená účinnosť enzýmov môže byť kompenzovaná jednoduchým zvýšením produkcie.

Možné príčiny nedostatku alebo poruchy kináz a fosfatáz sú interné a externé toxíny, ako aj genetické mutácie.

Ak dôjde k takejto mutácii v DNA mitochondrií, sú negatívne účinky na oxidačnú fosforyláciu a teda na syntézu ATP, čo je hlavnou úlohou týchto bunkových organel. Takéto mitochondriálne ochorenie je napríklad LHON (Leberova dedičná optická neuropatia), pri ktorej dochádza k rýchlej strate zraku, niekedy v kombinácii so srdcovými arytmiami. Toto ochorenie sa dedí matersky, t.j. výlučne od matky, pretože iba jej mitochondriálna DNA sa prenáša na dieťa, ale nie na otca.