Φωσφορυλίωση

ο Φωσφορυλίωση είναι μια θεμελιώδης διαδικασία της βιοχημείας που λαμβάνει χώρα όχι μόνο στον ανθρώπινο οργανισμό, αλλά και σε όλα τα έμβια όντα με έναν πυρήνα και βακτήρια. Είναι απαραίτητο μέρος της ενδοκυτταρικής μεταγωγής σήματος και ένας σημαντικός τρόπος ελέγχου της συμπεριφοράς των κυττάρων. Τις περισσότερες φορές, τα συστατικά των πρωτεϊνών φωσφορυλιώνονται, αλλά άλλα μόρια όπως το σάκχαρο μπορούν επίσης να χρησιμεύσουν ως υποστρώματα. Από χημική άποψη, η φωσφορυλίωση των πρωτεϊνών δημιουργεί έναν δεσμό εστέρα φωσφορικού οξέος.

Τι είναι η φωσφορυλίωση;

Ο όρος φωσφορυλίωση περιγράφει τη μεταφορά φωσφορικών ομάδων σε οργανικά μόρια - κυρίως αυτά είναι τα υπολείμματα αμινοξέων που αποτελούν πρωτεΐνες. Τα φωσφορικά έχουν τετραεδρική δομή αποτελούμενη από ένα κεντρικό άτομο φωσφόρου και τέσσερα περιβάλλοντα, ομοιοπολικά δεσμευμένα άτομα οξυγόνου.

Οι ομάδες φωσφορικών έχουν διπλό αρνητικό φορτίο. Μεταφέρονται σε ένα οργανικό μόριο με συγκεκριμένα ένζυμα, τις λεγόμενες κινάσες. Με την κατανάλωση ενέργειας, αυτά συνήθως συνδέουν το υπόλειμμα φωσφορικού σε μια υδροξυλομάδα μιας πρωτεΐνης, έτσι ώστε να σχηματίζεται ένας εστέρας φωσφορικού οξέος. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία είναι αναστρέψιμη, δηλαδή μπορεί να αντιστραφεί και πάλι από ορισμένα ένζυμα. Τέτοια ένζυμα που διαχωρίζουν τις φωσφορικές ομάδες αναφέρονται γενικά ως φωσφατάσες.

Τόσο οι κινάσες όσο και οι φωσφατάσες αντιπροσωπεύουν το καθένα τη δική τους κατηγορία ενζύμων, η οποία μπορεί να υποδιαιρεθεί σε περαιτέρω υποκατηγορίες σύμφωνα με διάφορα κριτήρια όπως ο τύπος του υποστρώματος ή ο μηχανισμός ενεργοποίησης.

Λειτουργία & εργασία

Ένας κρίσιμος ρόλος των φωσφορικών, ιδιαίτερα των πολυφωσφορικών, στον οργανισμό είναι η παροχή ενέργειας. Το πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτού είναι το ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη), το οποίο είναι ο κύριος φορέας ενέργειας στο σώμα. Η αποθήκευση ενέργειας στον ανθρώπινο οργανισμό συνεπώς συνήθως σημαίνει τη σύνθεση του ATP.

Για να γίνει αυτό, ένα υπόλειμμα φωσφορικού πρέπει να μεταφερθεί σε μόριο ADP (διφωσφορική αδενοσίνη) έτσι ώστε η αλυσίδα φωσφορικών ομάδων του, οι οποίες συνδέονται μέσω δεσμών φωσφορικού ανυδρίτη, να επεκταθεί. Το προκύπτον μόριο ονομάζεται ATP (τριφωσφορική αδενοσίνη). Η ενέργεια που αποθηκεύεται με αυτόν τον τρόπο λαμβάνεται από την ανανεωμένη διάσπαση του δεσμού, αφήνοντας πίσω την ADP. Ένα περαιτέρω φωσφορικό μπορεί επίσης να διαχωριστεί, με τον οποίο σχηματίζεται ΑΜΡ (μονοφωσφορική αδενοσίνη). Κάθε φορά που ένα φωσφορικό διασπάται, το κύτταρο διαθέτει περισσότερα από 30 kJ ανά γραμμομόριο.

Η ζάχαρη φωσφορυλιώνεται επίσης κατά τη διάρκεια του μεταβολισμού των ανθρώπινων υδατανθράκων για ενεργητικούς λόγους. Κάποιος επίσης μιλά για μια «φάση συλλογής» και μια «φάση ανάκτησης» της γλυκόλυσης, καθώς η ενέργεια με τη μορφή φωσφορικών ομάδων πρέπει πρώτα να επενδυθεί στα αρχικά υλικά για να ληφθεί ΑΤΡ αργότερα. Επιπλέον, η γλυκόζη, για παράδειγμα ως 6-φωσφορική γλυκόζη, δεν μπορεί πλέον να διαχέεται ανεμπόδιστα μέσω της κυτταρικής μεμβράνης και επομένως στερεώνεται μέσα στο κύτταρο, όπου απαιτείται για άλλα σημαντικά μεταβολικά στάδια.

Επιπλέον, οι φωσφορυλιώσεις και οι αντίστροφες αντιδράσεις τους, εκτός από την αλλοστερική και ανταγωνιστική αναστολή, αντιπροσωπεύουν τους αποφασιστικούς μηχανισμούς για τη ρύθμιση της κυτταρικής δραστηριότητας. Τα αμινοξέα σερίνη, θρεονίνη και τυροσίνη που περιέχονται στις πρωτεΐνες τροποποιούνται συχνότερα, με τη σερίνη να εμπλέκεται στη συντριπτική πλειονότητα των φωσφορυλιώσεων. Στην περίπτωση πρωτεϊνών με ενζυματική δραστικότητα, και οι δύο διεργασίες μπορούν να οδηγήσουν σε ενεργοποίηση καθώς και απενεργοποίηση, ανάλογα με τη δομή του μορίου.

Εναλλακτικά, η (de) φωσφορυλίωση με μεταφορά ή απομάκρυνση ενός διπλού αρνητικού φορτίου μπορεί επίσης να οδηγήσει στην αλλαγή της διαμόρφωσης της πρωτεΐνης με τέτοιο τρόπο ώστε ορισμένα άλλα μόρια να μπορούν να προσδεθούν στους προσβεβλημένους τομείς πρωτεΐνης ή όχι πλέον. Ένα παράδειγμα αυτού του μηχανισμού είναι η κατηγορία των συζευγμένων με πρωτεΐνη G υποδοχέων.

Και οι δύο μηχανισμοί παίζουν εξαιρετικό ρόλο στη μετάδοση σημάτων εντός του κυττάρου και στη ρύθμιση του κυτταρικού μεταβολισμού. Μπορούν να επηρεάσουν τη συμπεριφορά ενός κυττάρου είτε απευθείας μέσω της ενζυματικής δραστηριότητας είτε έμμεσα μέσω αλλαγμένης μεταγραφής και μετάφρασης του DNA.

Ασθένειες και παθήσεις

Όσο καθολική και θεμελιώδης, όπως οι λειτουργίες των φωσφορυλιώσεων, οι συνέπειες σε περίπτωση διαταραχής αυτού του μηχανισμού αντίδρασης είναι εξίσου ποικίλες. Ένα ελάττωμα ή μια αναστολή της φωσφορυλίωσης, που συνήθως προκαλείται από έλλειψη πρωτεϊνικών κινασών ή βλάβη τους, μπορεί να οδηγήσει σε μεταβολικές ασθένειες, ασθένειες του νευρικού συστήματος και των μυών ή μεμονωμένη βλάβη οργάνων, μεταξύ άλλων. Τα νευρικά και τα μυϊκά κύτταρα επηρεάζονται συχνά πρώτα, το οποίο εκδηλώνεται σε νευρολογικά συμπτώματα και μυϊκή αδυναμία.

Σε περιορισμένο βαθμό, ορισμένες διαταραχές των κινασών ή των φωσφατασών μπορούν να αντισταθμιστούν από το σώμα, καθώς μερικές φορές υπάρχουν αρκετοί τρόποι προώθησης ενός σήματος και έτσι το «ελαττωματικό σημείο» στην αλυσίδα σήματος μπορεί να παρακαμφθεί. Στη συνέχεια, για παράδειγμα, μια άλλη πρωτεΐνη αντικαθιστά την ελαττωματική. Η μειωμένη απόδοση των ενζύμων, από την άλλη πλευρά, μπορεί να αντισταθμιστεί με απλή αύξηση της παραγωγής.

Οι εσωτερικές και εξωτερικές τοξίνες καθώς και οι γενετικές μεταλλάξεις είναι πιθανές αιτίες ανεπάρκειας ή δυσλειτουργίας των κινασών και των φωσφατασών.

Εάν μια τέτοια μετάλλαξη λάβει χώρα στο DNA των μιτοχονδρίων, υπάρχουν αρνητικές επιδράσεις στην οξειδωτική φωσφορυλίωση και συνεπώς στη σύνθεση ΑΤΡ, το κύριο καθήκον αυτών των κυτταρικών οργανιδίων. Μια τέτοια μιτοχονδριακή νόσος είναι, για παράδειγμα, η LHON (κληρονομική οπτική νευροπάθεια Leber), στην οποία υπάρχει ταχεία απώλεια της όρασης, μερικές φορές σε συνδυασμό με καρδιακές αρρυθμίες. Αυτή η ασθένεια κληρονομείται από τη μητέρα, δηλαδή αποκλειστικά από τη μητέρα, αφού μόνο το μιτοχονδριακό DNA της μεταδίδεται στο παιδί, αλλά όχι σε αυτό του πατέρα.