Fosforylaatio on fosforyyliryhmän (PO3-) orgaaniseen molekyyli. Fosforyyliryhmän poistamista kutsutaan defosforylaatioksi. Sekä fosforylointi että defosforylointi suoritetaan entsyymien avulla (esimerkiksi kinaasit, fosfotransferaasit). Fosforylaatio on tärkeä biokemian ja molekyylibiologian aloilla, koska se on avainreaktio proteiinien ja entsyymien toiminnassa, sokerin aineenvaihdunnassa sekä energian varastoinnissa ja vapautumisessa.
Fosforyloinnin tarkoitukset
Fosforylaatiolla on kriittinen sääntelyrooli solut. Sen tehtäviin kuuluu:
- Tärkeä glykolyysille
- Käytetään proteiini-proteiini-vuorovaikutuksessa
- Käytetään proteiinien hajoamisessa
- Säätelee entsyymien estämistä
- Ylläpitää homeostaasia säätelemällä energiaa tarvitsevia kemiallisia reaktioita
Fosforylaatiotyypit
Monentyyppisille molekyyleille voidaan suorittaa fosforylaatio ja defosforylaatio. Kolme tärkeintä fosforylaatiotyyppiä ovat glukoosifosforylaatio, proteiinifosforylaatio ja oksidatiivinen fosforylaatio.
Glukoosifosforylaatio
Glukoosi
ja muut sokerit fosforyloidaan usein niiden ensimmäisenä vaiheena hajoamista. Esimerkiksi D-glukoosin glykolysoinnin ensimmäinen vaihe on sen muuttaminen D-glukoosi-6-fosfaatiksi. Glukoosi on pieni molekyyli, joka läpäisee solut helposti. Fosforylaatio muodostaa suuremman molekyylin, joka ei pääse helposti kudokseen. Joten fosforylaatio on kriittinen verensokeripitoisuuden säätelemiseksi. Glukoosipitoisuus puolestaan liittyy suoraan glykogeenin muodostumiseen. Glukoosin fosforylaatio liittyy myös sydämen kasvuun.Proteiinifosforylaatio
Phoebus Levene Rockefeller Institute for Medical Researchissa tunnisti ensimmäisenä a fosforyloitunut proteiini (fosvitiini) vuonna 1906, mutta proteiinien entsymaattista fosforylaatiota ei kuvattu 1930-luvulle saakka.
Proteiinifosforylaatio tapahtuu, kun fosforyyliryhmä lisätään aminohappo. Yleensä aminohappo on seriini, vaikka fosforylaatio tapahtuu myös treoniinille ja tyrosiinille eukaryooteissa ja histidiinille prokaryooteissa. Tämä on esteröintireaktio, jossa fosfaattiryhmä reagoi seriinin, treoniinin tai tyrosiinin sivuketjun hydroksyyliryhmän (-OH) kanssa. Entsyymiproteiinikinaasi sitoo kovalenttisesti fosfaattiryhmän aminohappoon. Tarkka mekanismi eroaa jonkin verran toisistaan prokaryootit ja eukaryootit. Parhaiten tutkitut fosforylaatiomuodot ovat translaation jälkeisiä modifikaatioita (PTM), mikä tarkoittaa, että proteiinit fosforyloidaan RNA-templaatista tapahtuvan translaation jälkeen. Proteiinifosfataasit katalysoivat käänteistä reaktiota, defosforylaatiota.
Tärkeä esimerkki proteiinien fosforyloinnista on histonien fosforylointi. Eukaryooteissa DNA liitetään histoniproteiineihin muodostamaan chromatin. Histonifosforylaatio muuttaa kromatiinin rakennetta ja muuttaa sen proteiini-proteiini- ja DNA-proteiini-vuorovaikutuksia. Yleensä fosforylaatio tapahtuu, kun DNA vaurioituu, avautuen tilaa rikkoutuneen DNA: n ympärille, jotta korjausmekanismit voivat tehdä työnsä.
Sen lisäksi, että se on tärkeä vuonna DNA: n korjaus, proteiinifosforylaatiolla on avainrooli aineenvaihdunnassa ja signalointireiteissä.
Oksidatiivinen fosforylaatio
Hapettava fosforylaatio on tapa, jolla solu varastoi ja vapauttaa kemiallista energiaa. Eukaryoottisolussa reaktiot tapahtuvat mitokondrioissa. Hapettava fosforylaatio koostuu elektronin kuljetusketju ja kemioosmoosit. Yhteenvetona voidaan todeta, että redox-reaktio siirtää elektroneja proteiineista ja muista molekyyleistä mitokondrioiden sisäkalvon elektronin kuljetusketjun varrella vapauttaen energiaa, jota käytetään adenosiinitrifosfaatti (ATP) kemioosmoosissa.
Tässä prosessissa NADH ja FADH2 toimittaa elektroneja elektronien kuljetusketjuun. Elektronit siirtyvät korkeammasta energiasta alempaan energiaan, kun ne etenevät ketjun aikana vapauttaen energiaa matkan varrella. Osa tästä energiasta menee vetyionien pumppaamiseen (H+) sähkökemiallisen gradientin muodostamiseksi. Ketjun lopussa elektronit siirtyvät happea, joka sitoutuu H: n kanssa+ muodostamaan vettä. H+ ionit toimittavat energiaa ATP-syntaasille syntetisoimaan ATP. Kun ATP defosforyloituu, fosfaattiryhmän pilkkominen vapauttaa energiaa muodossa, jota solu voi käyttää.
Adenosiini ei ole ainoa emäs, jossa tapahtuu fosforylaatio AMP: n, ADP: n ja ATP: n muodostamiseksi. Esimerkiksi guanosiini voi myös muodostaa GMP: n, BKT: n ja GTP: n.
Fosforylaation havaitseminen
Se, onko molekyyli fosforyloitu vai ei, voidaan havaita vasta-aineilla, elektroforeesitai massaspektrometria. Fosforylaatiokohtien tunnistaminen ja karakterisointi on kuitenkin vaikeaa. Isotooppimerkintöjä käytetään usein yhdessä fluoresenssi, elektroforeesi ja immunomääritykset.
Lähteet
- Kresge, Nicole; Simoni, Robert D.; Hill, Robert L. (2011-01-21). "Käännettävän fosforyloinnin prosessi: Edmond H. Fischer". Journal of Biological Chemistry. 286 (3).
- Sharma, Saumya; Guthrie, Patrick H.; Chan, Suzanne S.; Haq, Syed; Taegtmeyer, Heinrich (10.10.2007). "Sydämen insuliiniriippuvaisesta mTOR-signaloinnista vaaditaan glukoosifosforylointi". Sydän- ja verisuonitutkimukset. 76 (1): 71–80.