Was ist Phosphorylierung und wie funktioniert es?

Die Phosphorylierung ist die chemische Addition einer Phosphorylgruppe (PO₃^-) an ein organisches Molekül. Die Entfernung einer Phosphorylgruppe wird Dephosphorylierung genannt. Sowohl die Phosphorylierung als auch die Dephosphorylierung werden durch Enzyme (z. B. Kinasen, Phosphotransferasen) durchgeführt. Die Phosphorylierung ist in den Bereichen Biochemie und Molekularbiologie wichtig, da sie eine Schlüsselreaktion für die Protein- und Enzymfunktion, den Zuckerstoffwechsel sowie die Speicherung und Freisetzung von Energie darstellt.

Zwecke der Phosphorylierung

Die Phosphorylierung spielt in Zellen eine entscheidende regulatorische Rolle. Seine Funktionen umfassen:

• Wichtig für die Glykolyse
• Wird für Protein-Protein-Wechselwirkungen verwendet
• Wird beim Proteinabbau verwendet
• Reguliert die Enzymhemmung
• Erhält die Homöostase durch Regulierung der energiebedürftigen chemischen Reaktionen

Arten der Phosphorylierung

Viele Arten von Molekülen können eine Phosphorylierung und eine Dephosphorylierung eingehen. Drei der wichtigsten Arten der Phosphorylierung sind die Glucose-Phosphorylierung, die Protein-Phosphorylierung und die oxidative Phosphorylierung.

Glucose-Phosphorylierung

Glucose und andere Zucker werden häufig als erster Schritt ihres Katabolismus phosphoryliert. Zum Beispiel ist der erste Schritt der Glykolyse von D-Glucose die Umwandlung in D-Glucose-6-phosphat. Glucose ist ein kleines Molekül, das leicht Zellen durchdringt. Die Phosphorylierung bildet ein größeres Molekül, das nicht leicht in das Gewebe eindringen kann. Die Phosphorylierung ist daher entscheidend für die Regulierung der Blutzuckerkonzentration. Die Glukosekonzentration steht wiederum in direktem Zusammenhang mit der Glykogenbildung. Die Glucosephosphorylierung ist auch mit dem Herzwachstum verbunden.

Proteinphosphorylierung

Phoebus Levene am Rockefeller Institute for Medical Research identifizierte 1906 erstmals ein phosphoryliertes Protein (Phosvitin), die enzymatische Phosphorylierung von Proteinen wurde jedoch erst in den 1930er Jahren beschrieben.

Proteinphosphorylierung tritt auf, wenn die Phosphorylgruppe zu einer Aminosäure hinzugefügt wird. Gewöhnlich ist die Aminosäure Serin, obwohl die Phosphorylierung auch an Threonin und Tyrosin in Eukaryoten und Histidin in Prokaryoten auftritt. Dies ist eine Veresterungsreaktion, bei der eine Phosphatgruppe mit der Hydroxylgruppe (-OH) einer Serin-, Threonin- oder Tyrosin-Seitenkette reagiert. Das Enzym Proteinkinase bindet kovalent eine Phosphatgruppe an die Aminosäure. Der genaue Mechanismus unterscheidet sich etwas zwischen Prokaryoten und Eukaryoten. Die am besten untersuchten Formen der Phosphorylierung sind posttranslationale Modifikationen (PTM), dh die Proteine ​​werden nach der Translation von einer RNA-Matrize phosphoryliert. Die Umkehrreaktion, die Dephosphorylierung, wird durch Proteinphosphatasen katalysiert.

Ein wichtiges Beispiel für die Phosphorylierung von Proteinen ist die Phosphorylierung von Histonen. In Eukaryoten wird DNA mit Histonproteinen assoziiert, um Chromatin zu bilden. Die Histonphosphorylierung verändert die Struktur des Chromatins und seine Protein-Protein- und DNA-Protein-Wechselwirkungen. In der Regel tritt Phosphorylierung auf, wenn die DNA beschädigt ist, wodurch Platz um die zerbrochene DNA frei wird, damit Reparaturmechanismen ihre Arbeit erledigen können.

Neben ihrer Bedeutung für die DNA-Reparatur spielt die Proteinphosphorylierung eine Schlüsselrolle für den Metabolismus und die Signalwege.

Oxidative Phosphorylierung

Durch oxidative Phosphorylierung speichert eine Zelle chemische Energie und setzt sie frei. In einer eukaryotischen Zelle treten die Reaktionen innerhalb der Mitochondrien auf. Die oxidative Phosphorylierung besteht aus den Reaktionen der Elektronentransportkette und der Chemiosmose. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Redoxreaktion Elektronen von Proteinen und anderen Molekülen entlang der Elektronentransportkette in der Innenmembran der Mitochondrien weiterleitet und dabei Energie freisetzt, die zur Herstellung von Adenosintriphosphat (ATP) bei der Chemiosmose verwendet wird.

In diesem Prozess NADH und FADH₂ Liefern Sie Elektronen an die Elektronentransportkette. Elektronen wandern von höherer Energie zu niedrigerer Energie, während sie sich entlang der Kette fortbewegen und dabei Energie abgeben. Ein Teil dieser Energie fließt in das Pumpen von Wasserstoffionen (H⁺) zur Bildung eines elektrochemischen Gradienten. Am Ende der Kette werden Elektronen auf Sauerstoff übertragen, die sich mit H verbinden⁺ Wasser bilden. H⁺ Ionen liefern die Energie für die ATP-Synthase, um ATP zu synthetisieren. Wenn ATP dephosphoryliert wird, setzt die Abspaltung der Phosphatgruppe Energie in einer Form frei, die die Zelle nutzen kann.

Adenosin ist nicht die einzige Base, die eine Phosphorylierung unter Bildung von AMP, ADP und ATP durchläuft. Zum Beispiel kann Guanosin auch GMP, GDP und GTP bilden.

Phosphorylierung nachweisen

Ob ein Molekül phosphoryliert wurde oder nicht, kann mithilfe von Antikörpern, Elektrophorese oder Massenspektrometrie nachgewiesen werden. Die Identifizierung und Charakterisierung von Phosphorylierungsstellen ist jedoch schwierig. Isotopenmarkierung wird häufig in Verbindung mit Fluoreszenz-, Elektrophorese- und Immunoassays verwendet.

Quellen

• Kresge, Nicole; Simoni, Robert D .; Hill, Robert L. (21.01.2011). "Der Prozess der reversiblen Phosphorylierung: die Arbeit von Edmond H. Fischer". Journal of Biological Chemistry. 286 (3).
• Sharma, Saumya; Guthrie, Patrick H .; Chan, Suzanne S .; Haq, Syed; Taegtmeyer, Heinrich (01.10.2007). "Glucosephosphorylierung ist für insulinabhängige mTOR-Signale im Herzen erforderlich". Herz-Kreislauf-Forschung. 76 (1): 71 & ndash; 80.