Что такое фосфорилирование кратко

Обновлено: 02.07.2024

Фосфорилирование — это химическое присоединение фосфорильной группы (PO3 — ) к органической молекуле. Удаление фосфорильной группы называется дефосфорилированием. И фосфорилирование, и дефосфорилирование осуществляются ферментами (например, киназами, фосфотрансферазами). Фосфорилирование важно в областях биохимии и молекулярной биологии, потому что это ключевая реакция в функции белков и ферментов, метаболизме сахара, а также хранении и высвобождении энергии.

Цели фосфорилирования

Фосфорилирование играет важную регулирующую роль в клетках. В его функции входят:

Важен для гликолиза
Используется для взаимодействия белок-белок
Используется при расщеплении белка
Регулирует ингибирование ферментов
Поддерживает гомеостаз за счет регулирования энергозатратных химических реакций

Типы фосфорилирования

Многие типы молекул могут подвергаться фосфорилированию и дефосфорилированию. Три наиболее важных типа фосфорилирования — это фосфорилирование глюкозы, фосфорилирование белков и окислительное фосфорилирование.

Фосфорилирование глюкозы

Глюкоза и другие сахара часто фосфорилируются на первом этапе их катаболизма. Например, первая стадия гликолиза D-глюкозы — ее превращение в D-глюкозо-6-фосфат. Глюкоза — это небольшая молекула, которая легко проникает в клетки. Фосфорилирование образует более крупную молекулу, которая не может легко проникнуть в ткань. Итак, фосфорилирование имеет решающее значение для регулирования концентрации глюкозы в крови. Концентрация глюкозы, в свою очередь, напрямую связана с образованием гликогена. Фосфорилирование глюкозы также связано с сердечным ростом.

Фосфорилирование белков

Фебус Левен из Института медицинских исследований Рокфеллера был первым, кто идентифицировал фосфорилированный белок (фосвитин) в 1906 году, но ферментативное фосфорилирование белков не было описано до 1930-х годов.

Фосфорилирование белка происходит, когда фосфорильная группа добавляется к аминокислоте. Обычно аминокислота представляет собой серин, хотя фосфорилирование также происходит по треонину и тирозину у эукариот и гистидину у прокариот. Это реакция этерификации, когда фосфатная группа взаимодействует с гидроксильной (-ОН) группой боковой цепи серина, треонина или тирозина. Фермент протеинкиназа ковалентно связывает фосфатную группу с аминокислотой. Точный механизм несколько отличается у прокариот и эукариот. Наиболее изученными формами фосфорилирования являются посттрансляционные модификации (PTM), что означает, что белки фосфорилируются после трансляции с матрицы РНК. Обратная реакция, дефосфорилирование, катализируется протеинфосфатазами.

Важным примером фосфорилирования белков является фосфорилирование гистонов. У эукариот ДНК связана с гистоновыми белками с образованием хроматина. Фосфорилирование гистонов изменяет структуру хроматина и изменяет его белок-белок и ДНК-белок взаимодействия. Обычно фосфорилирование происходит при повреждении ДНК, открывая пространство вокруг поврежденной ДНК, чтобы механизмы восстановления могли выполнять свою работу.

Помимо важности для репарации ДНК, фосфорилирование белков играет ключевую роль в метаболизме и сигнальных путях.

Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование — это то, как клетка накапливает и выделяет химическую энергию. В эукариотической клетке реакции происходят внутри митохондрий. Окислительное фосфорилирование состоит из реакций цепи переноса электронов и хемиосмоса. Таким образом, окислительно-восстановительная реакция передает электроны от белков и других молекул по цепи переноса электронов во внутренней мембране митохондрий, высвобождая энергию, которая используется для производства аденозинтрифосфата (АТФ) при хемиосмосе.

В этом процессе NADH и FADH 2 доставляют электроны в цепь переноса электронов. Электроны переходят от более высокой энергии к более низкой по мере продвижения по цепочке, высвобождая при этом энергию. Часть этой энергии идет на перекачку ионов водорода (H + ) для образования электрохимического градиента. В конце цепочки электроны передаются кислороду, который связывается с H + с образованием воды. Ионы H + поставляют энергию АТФ-синтазе для синтеза АТФ. Когда АТФ дефосфорилируется, отщепление фосфатной группы высвобождает энергию в той форме, которую клетка может использовать.

Аденозин — не единственное основание, которое подвергается фосфорилированию с образованием АМФ, АДФ и АТФ. Например, гуанозин может также образовывать GMP, GDP и GTP.

Обнаружение фосфорилирования

Фосфорилирована ли молекула, можно определить с помощью антител, электрофореза или масс-спектрометрии. Однако идентифицировать и охарактеризовать сайты фосфорилирования сложно. Мечение изотопов часто используется в сочетании с флуоресценцией, электрофорезом и иммуноанализами.

Фосфорилирование – это замещение атома водорода в молекулах химических соединений остатками кислот фосфора. В отношении метаболизма микроорганизмов, фосфорилирование – это процесс синтеза молекул аденозинтрифосфата (АТФ) из аденозиндифосфата (АДФ) и фосфатов [1] [2] .

Известно, что по отношению к энергетическим источникам все микроорганизмы подразделяются на две группы: хемотрофы и фототрофы. Первые, для синтеза молекул АТФ используют энергию химических реакций, вторые – световую энергию в процессе протекания фотосинтеза. Синтез АТФ из АДФ и фосфатов обычно происходит двумя способами: мембранным фосфорилированием и субстратным фосфорилированием [2] .

Мембранное фосфорилирование

Мембранное фосфорилирование – это фосфорилирование в дыхательной или фотосинтетической электронтранспортной цепи. У прокариот этот процесс связан с мембранами и их производными. Синтез АТФ происходит при участии фермента АТФ-синазы по схеме: АДФ + Ф_н →АТФ [2] .

Субстратное фосфорилирование

Субстратное фосфорилирование – это фосфорилирование на уровне субстрата. При данном способе фосфатная группа переносится на АДФ от вещества (субстрата), более богатого энергией, чем АТФ [2] .

Данный процесс протекает по схеме: S(субстрат) ~ Ф + АДФ → S+АТФ [2] .

В бактериальных клетках реакции субстратного фосфорилирования не связаны с мембранными структурами и катализируются растворимыми ферментами промежуточного метаболизма [2] .

Фосфорилирующая способность соед. Р(Ш) обычно выше, чем соед. P(V). Так, хлориды Р(Ш) могут гомолитически фосфорилировать углеводороды в присут. окислителей при g-облучении. Известны примеры Ф. спиртов, аминов, тиолов с помощью соед. пятикоординац. P ( фосфоранов).

Ф. с помощью к-т P осуществляют обычно с участием конденсирующих агентов (карбодиимидов, SO₂Cl₂ и др.). В нек-рых случаях (напр., при Ф. фосфоновыми к-тами, когда орг. заместитель - алкилпергалогенид или алкил, содержащий в b-положении к атому P галоген) р-ция происходит с разрывом связи P-C, напр.:

Замещение в молекуле атома H у атома С на группировку P(O)ClX (X = Cl, Alk, Ar, RO, R₂N) осуществляют взаимод. орг. соед. с XPCl₂ и O₂ ( окислительное хлорфосфонирование).

Для избирательного Ф.полифункцион. соед. подбирают соответствующий фосфорилирующий агент или условия р-ции, напр.:

Иногда для избирательного Ф. осуществляют предварит. защиту функц. групп, не подлежащих Ф.

В биохимии часто возникает необходимость введения в молекулу остатка фосфорной к-ты. Иногда это удается осуществить в одну стадию путем использования в качестве фосфорилирующего агента метафосфорной к-ты, H₃PO₄, или ее производных [напр., CH₃C(O)OP(O)(OH)₂, H₂NC(O)OP(O)(OH)₂] в сочетании с конденсирующими агентами. Эту же задачу часто можно осуществить, применяя фосфаты типа R₂P(O)X (R = PhO, PhCH₂O и др.; X = ОН, Hal и др.). В этом случае после Ф. замену группы R на ОН осуществляют гидролизом или с помощью каталитич. гидри-рования.

Ф. нек-рых важных ферментов приводит к их ингибирова-нию (потери ферментативной активности). Так, многие фос-форорг. соед. (напр., фторангидриды эфиров фосфоновых к-т, и-нитрофениловые эфиры к-т фосфора) способны фосфорилировать холинэстеразы (считают, что Ф. осуществляется по группе ОН остатка серина в активном центре), что приводит к блокаде нервно-мышечной передачи импульсов в вегетативной нервной системе (см. Ацетилхолинэстераза). Фундам. значение для жизнедеятельности всех живых организмов имеет Ф., осуществляемое при обмене в-в, к-рое катализируется ферментами группы фосфотрансфераз. Донорами фосфатной (реже пирофосфатной) группы обычно служат нуклеотиды, среди к-рых главную роль играет АТФ. Ресинтез АТФ в клетке осуществляется гл. обр. при окислительном фосфорилировании (в аэробных условиях), а также при фотосинтезе и гликолизе (в анаэробных условиях).

Ф. широко применяют для синтеза пестицидов, лек. ср-в, экстрагентов, пластификаторов, негорючих пропиток и др.

См. также Абрамова реакция, Арбузова реакция, Кабачника-Филдса реакция, Кирсанова реакция, Клея-Киннера-Перрена реакция, Михаэлиса-Беккера реакция, Перкова реакция, Пищи-муки реакция, Тодда-Атертона реакция, Хорнера реакция.

Лит.: Корбридж Д., Фосфор. Основы химии, биохимии, технологии, пер. с англ., M., 1982, с. 344-80; Hudson R., Green M., "Angew. Chem.", 1963, Bd 75, № 1, S. 47-56; Cox J., Ramsay О., "Chem. Rev.", 1964, v. 64, № 4, p. 317-52. Г. И. Дрозд.

В химия, фосфорилирование (к молекуле добавляется фосфатная группа) молекулы - это присоединение фосфорильная группа. Вместе со своим аналогом дефосфорилирование, (потерять молекулу) критично для многих клеточных процессов в биология. Фосфорилирование белков особенно важен для их функции; например, эта модификация активирует (или деактивирует) почти половину ферменты присутствует в Saccharomyces cerevisiae, тем самым регулируя их функцию. [1] [2] [3] Много белки (от 1/3 до 2/3 протеом в эукариоты [4] [5] ) фосфорилируются временно, как и многие сахара, липидыи другие биологически значимые молекулы.

Содержание

Глюкоза

Фосфорилирование сахара часто бывает первым этапом в их катаболизм. Фосфорилирование позволяет клеткам накапливать сахара, поскольку фосфатная группа препятствует диффузии молекул обратно через их переносчик. Фосфорилирование глюкоза является ключевой реакцией в метаболизме сахара, потому что многие сахара сначала превращаются в глюкозу, прежде чем они метаболизируются дальше.

Химическое уравнение превращения D-глюкозы в D-глюкозо-6-фосфат на первом этапе гликолиз дан кем-то

D-глюкоза + АТФ → D-глюкозо-6-фосфат + АДФ ΔG° = -16,7 кДж / моль (° означает измерение при стандартных условиях)

Исследователь Д. Г. Уокер из Университета Бирмингема определил присутствие в печени взрослых морских свинок двух специфических ферментов, которые катализируют фосфорилирование глюкозы до глюкозо-6-фосфата. [ сомнительный – обсудить ] Два фермента были идентифицированы как специфическая глюкокиназа (АТФ-D-глюкозо-6-фосфотрансфераза) и неспецифическая гексокиназа (АТФ-D-гексозо-6-фосфотрансфераза).

Клетки печени свободно проницаемы для глюкозы, и начальная скорость фосфорилирования глюкозы является лимитирующим этапом метаболизма глюкозы печенью (АТФ-D-глюкозо-6-фосфотрансфераза) и неспецифической гексокиназой (АТФ-D-гексоза 6. -фосфотрансфераза). [6]

Роль глюкозо-6-фосфата в гликогенсинтазе: высокая концентрация глюкозы в крови вызывает повышение внутриклеточных уровней глюкозо-6-фосфата в печени, скелетных мышцах и жировой (жировой) ткани. (АТФ-D-глюкозо-6-фосфотрансфераза) и неспецифическая гексокиназа (АТФ-D-гексозо-6-фосфотрансфераза). В печеньсинтез гликогена напрямую зависит от концентрации глюкозы в крови и скелетная мышца и адипоциты, глюкоза оказывает незначительное влияние на гликогенсинтазу. Высокий уровень глюкозы в крови высвобождает инсулин, стимулируя перемещение определенных переносчиков глюкозы к клеточной мембране. [6] [7]

Решающая роль печени в контроле концентрации сахара в крови путем расщепления глюкозы на углекислый газ и гликоген характеризуется отрицательным значением дельта G, что указывает на то, что это точка регулирования. Фермент гексокиназа имеет низкий Km, что указывает на высокое сродство к глюкозе, поэтому это начальное фосфорилирование может происходить даже при наноскопическом уровне глюкозы в крови.

Фосфорилирование глюкозы может быть усилено связыванием фруктозо-6-фосфата и уменьшено связыванием фруктозо-1-фосфата. Фруктоза, потребляемая с пищей, превращается в печени в F1P. Это сводит на нет действие F6P на глюкокиназу, [8] что в конечном итоге способствует прямой реакции. Способность клеток печени фосфорилировать фруктозу превышает способность метаболизировать фруктозо-1-фосфат. Избыток фруктозы в конечном итоге приводит к дисбалансу метаболизма печени, что косвенно истощает запасы АТФ в клетках печени. [9]

Аллостерическая активация глюкозо-6-фосфатом, который действует как эффектор, стимулирует гликогенсинтазу, а глюкозо-6-фосфат может ингибировать фосфорилирование гликогенсинтазы циклической AMP-стимулированной протеинкиназой. [7]

Фосфорилирование глюкозы является обязательным для процессов в организме. Например, фосфорилирование глюкозы необходимо для инсулинозависимой механистическая мишень рапамицина проводящая активность в сердце. Это также предполагает связь между промежуточным метаболизмом и сердечным ростом. [10]

Гликолиз

Гликолиз - это важный процесс разложения глюкозы на две молекулы пируватчерез различные этапы с помощью разных ферментов. Это происходит в десять этапов и доказывает, что фосфорилирование является очень необходимым и необходимым этапом для получения конечных продуктов. Фосфорилирование инициирует реакцию в шаг 1 подготовительного шага [11] (первая половина гликолиза) и инициирует этап 6 фазы выплаты (вторая фаза гликолиза). [12]

Глюкоза по своей природе представляет собой небольшую молекулу, способную диффундировать внутрь и из клетки. Фосфорилируя глюкозу (добавляя фосфорильную группу для создания отрицательно заряженной фосфатная группа [13] ), глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат и задерживается внутри клетки, поскольку клеточная мембрана заряжается отрицательно. Эта реакция происходит из-за фермента гексокиназы, фермента, который помогает фосфорилировать многие шестичленные кольцевые структуры. Глюкозо-6-фосфат не может проходить через клеточную мембрану и поэтому вынужден оставаться внутри клетки. Фосфорилирование происходит на этапе 3, где фруктозо-6-фосфат превращается в фруктозо-1,6-бисфосфат. Эта реакция катализируется фосфофруктокиназой.

В то время как фосфорилирование осуществляется АТФ во время подготовительных этапов, фосфорилирование во время фазы выплаты поддерживается неорганическим фосфатом. Каждая молекула глицеральдегид-3-фосфата фосфорилируется с образованием 1,3-бисфосфоглицерата. Эта реакция катализируется GAPDH (глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа). Каскадный эффект фосфорилирования в конечном итоге вызывает нестабильность и позволяет ферментам открывать углеродные связи в глюкозе.

Фосфорилирование является чрезвычайно важным компонентом гликолиза, поскольку помогает в транспортировке, контроле и эффективности. [14]

Фосфорилирование белков

Фосфорилирование белков считается самым распространенным посттрансляционная модификация у эукариот. Фосфорилирование может происходить на серин, треонин и тирозин боковые цепи (часто называемые `` остатками '') через фосфоэфирная связь формирование, на гистидин, лизин и аргинин через фосфорамидатные связи, и дальше аспарагиновая кислота и глютаминовая кислота через смешанный ангидридные связи. Недавние данные подтверждают широко распространенное фосфорилирование гистидина как по 1, так и по 3 атомам N имидазольного кольца. [15] [16] Недавняя работа демонстрирует широко распространенное фосфорилирование человеческого белка по множеству неканонических аминокислот, включая мотивы, содержащие фосфорилированный гистидин, аспартат, глутамат, цистеин, аргинин и лизин в экстрактах клеток HeLa. [17] Однако из-за химической лабильности этих фосфорилированных остатков и в отличие от фосфорилирования Ser, Thr и Tyr, анализ фосфорилированного гистидина (и других неканонических аминокислот) с использованием стандартных биохимических и масс-спектрометрических подходов является гораздо более сложной задачей. [17] [18] [19] и для их сохранения наряду с классическим фосфорилированием Ser, Thr и Tyr требуются специальные процедуры и методы разделения. [20]

Видная роль фосфорилирования белков в биохимия иллюстрируется огромным количеством исследований, опубликованных по этой теме (по состоянию на март 2015 г. MEDLINE база данных возвращает более 240 000 статей, в основном на белок фосфорилирование).

Читайте также: