Fosforilēšana

Fosforilēšana ir fundamentāls bioķīmijas process, kas notiek ne tikai cilvēka organismā, bet visās dzīvās lietās ar šūnas kodolu un baktērijām. Tā ir neaizstājama intracelulārā signāla pārvades sastāvdaļa un svarīgs šūnu uzvedības kontroles veids. Lielāko daļu laika olbaltumvielu komponenti tiek fosforilēti, bet par substrātiem var kalpot arī citas molekulas, piemēram, cukurs. No ķīmiskā viedokļa olbaltumvielu fosforilēšana rada fosforskābes estera saiti.

Kas ir fosforilēšana?

Termins fosforilēšana apraksta fosfātu grupu pārnešanu uz organiskām molekulām - lielākoties tās ir aminoskābju atliekas, kas veido olbaltumvielas. Fosfātiem ir tetraedriska struktūra, ko veido centrālais fosfora atoms un četri apkārtējie, kovalenti saistītie skābekļa atomi.

Fosfātu grupām ir divkārša negatīva maksa. Ar īpašu enzīmu, tā saukto kināžu, tie tiek pārnesti uz organisko molekulu. Ar enerģijas patēriņu tie parasti saista fosfāta atlikumu ar olbaltumvielu hidroksilgrupu, veidojot fosforskābes esteri. Tomēr šis process ir atgriezenisks, t.i. to var mainīt, atkal ar dažiem fermentiem. Šādus fermentus, kas sadala fosfātu grupas, parasti sauc par fosfatāzēm.

Gan kināzes, gan fosfatāzes katrs pārstāv savu enzīmu klasi, ko var sadalīt turpmākajās apakšklasēs pēc dažādiem kritērijiem, piemēram, substrāta veida vai aktivizācijas mehānisma.

Funkcija un uzdevums

Fosfātu, īpaši polifosfātu, izšķirošā loma organismā ir enerģijas piegāde. Visizcilākais piemērs tam ir ATP (adenozīna trifosfāts), kas ir galvenais enerģijas nesējs organismā. Tāpēc enerģijas uzkrāšana cilvēka organismā parasti nozīmē ATP sintēzi.

Lai to izdarītu, fosfāta atlikums jāpārnes ADP (adenozīndifosfāta) molekulā tā, lai tā fosfātu grupu ķēde, kas savienota caur fosfora anhidrīda saitēm, tiktu pagarināta. Iegūto molekulu sauc par ATP (adenozīna trifosfāts). Šādā veidā uzkrātā enerģija tiek iegūta no atkārtotas saites šķelšanās, atstājot ADP aiz muguras. Var sadalīt arī papildu fosfātu, tādējādi veidojoties AMP (adenozīna monofosfāts). Katru reizi, kad fosfāts tiek sadalīts, šūnā ir vairāk nekā 30 kJ uz mola.

Cukurs arī tiek fosforilēts cilvēka ogļhidrātu metabolisma laikā enerģētisku apsvērumu dēļ. Var runāt arī par glikolīzes "savākšanas fāzi" un "reģenerācijas fāzi", jo enerģija fosfātu grupu veidā vispirms jāiegulda izejvielās, lai vēlāk iegūtu ATP. Turklāt glikoze, piemēram, kā glikozes-6-fosfāts, vairs nevar netraucēti difuzēt caur šūnas membrānu, un tāpēc tā tiek fiksēta šūnas iekšpusē, kur tā nepieciešama citām svarīgām vielmaiņas darbībām.

Turklāt fosforilēšanās un to apgrieztā reakcija, papildus alosterīnai un konkurējošai inhibīcijai, ir izšķirošie mehānismi šūnu aktivitātes regulēšanai.Vairumā gadījumu proteīni tiek fosforilēti vai defosforilēti. Olbaltumvielās esošās aminoskābes serīns, treonīns un tirozīns tiek modificētas visbiežāk, un serīns ir iesaistīts lielākajā daļā fosforilēšanas. Olbaltumvielu gadījumā ar enzīmu aktivitāti abi procesi var izraisīt aktivizāciju, kā arī inaktivāciju atkarībā no molekulas struktūras.

Alternatīvi (de) fosforilēšana, pārnesot vai noņemot divkāršu negatīvu lādiņu, var izraisīt arī olbaltumvielu konformācijas maiņu tādā veidā, ka dažas citas molekulas var saistīties ar ietekmētajiem olbaltumvielu domēniem vai vairs ne. Šī mehānisma piemērs ir G-olbaltumvielu savienoto receptoru klase.

Abiem mehānismiem ir izcila loma signālu pārraidē šūnā un šūnu metabolisma regulēšanā. Viņi var ietekmēt šūnas uzvedību vai nu tieši, izmantojot enzīma aktivitāti, vai netieši, mainot DNS transkripciju un translāciju.

Slimības un kaites

Tikpat universālas un fundamentālas kā fosforilēšanas funkcijas, sekas, ja tiek traucēts šis reakcijas mehānisms, ir tikpat dažādas. Bojājums vai fosforilēšanās kavēšana, ko parasti izraisa olbaltumvielu kināžu trūkums vai to deficīts, var izraisīt vielmaiņas slimības, nervu sistēmas un muskuļu slimības vai atsevišķu orgānu bojājumus. Vispirms vispirms tiek ietekmētas nervu un muskuļu šūnas, kas izpaužas neiroloģiskos simptomos un muskuļu vājumā.

Nelielā mērā dažus kināžu vai fosfatāžu traucējumus organisms var kompensēt, jo dažreiz ir vairāki signāla pārsūtīšanas veidi, un tādējādi signāla ķēdē esošo "bojāto punktu" var apiet. Tad, piemēram, cits proteīns aizvieto bojāto. Fermentu samazinātu efektivitāti, no otras puses, var kompensēt, vienkārši palielinot ražošanu.

Iekšējie un ārējie toksīni, kā arī ģenētiskās mutācijas ir iespējamie kināžu un fosfatāžu deficīta vai nepareizas darbības cēloņi.

Ja šāda mutācija notiek mitohondriju DNS, tā negatīvi ietekmē oksidatīvo fosforilēšanos un tādējādi ATP sintēzi, kas ir šo šūnu organellu galvenais uzdevums. Šāda mitohondriju slimība ir, piemēram, LHON (Lebera iedzimta optiskā neiropātija), kurā ir straujš redzes zudums, dažreiz kombinācijā ar sirds aritmijām. Šī slimība tiek mantota mātei, t.i. tikai no mātes, jo bērnam tiek nodota tikai viņas mitohondriju DNS, bet ne tēva.