Phosphorylierung und wie es funktioniert

Phosphorylierung ist die chemische Addition einer Phosphorylgruppe (PO)₃^-) zu einem organischen Molekül. Die Entfernung einer Phosphorylgruppe wird als Dephosphorylierung bezeichnet. Sowohl Phosphorylierung als auch Dephosphorylierung werden durchgeführt durch Enzyme (z. B. Kinasen, Phosphotransferasen). 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.

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

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

Viele Arten von Molekülen können Phosphorylierung und Dephosphorylierung erfahren. Drei der wichtigsten Arten der Phosphorylierung sind die Glucosephosphorylierung, die Proteinphosphorylierung und die oxidative Phosphorylierung.

Glucose und andere Zucker werden oft als erster Schritt von ihnen phosphoryliert Katabolismus. Zum Beispiel ist der erste Schritt der Glykolyse von D-Glucose die Umwandlung in D-Glucose-6-phosphat. Glukose ist ein kleines Molekül, das Zellen leicht 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.

Phoebus Levene vom Rockefeller Institute for Medical Research identifizierte als erster a phosphoryliertes Protein (Phosvitin) im Jahr 1906, aber die enzymatische Phosphorylierung von Proteinen wurde nicht beschrieben bis in die 1930er Jahre.

Proteinphosphorylierung tritt auf, wenn die Phosphorylgruppe hinzugefügt wird eine Aminosäure. Normalerweise ist die Aminosäure Serin, obwohl die Phosphorylierung auch bei 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 Translation von einer RNA-Matrize phosphoryliert. Die Rückreaktion, die Dephosphorylierung, wird durch Proteinphosphatasen katalysiert.

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

Neben seiner Bedeutung in DNA-ReparaturDie Phosphorylierung von Proteinen spielt eine Schlüsselrolle im Stoffwechsel und in den Signalwegen.

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

In diesem Prozess NADH und FADH₂ liefern Elektronen an die Elektronentransportkette. Elektronen bewegen sich im Verlauf der Kette von höherer Energie zu niedrigerer Energie und setzen dabei Energie frei. Ein Teil dieser Energie fließt in das Pumpen von Wasserstoffionen (H.⁺) um einen elektrochemischen Gradienten zu bilden. Am Ende der Kette werden Elektronen auf Sauerstoff übertragen, der sich mit H verbindet⁺ Wasser bilden. H.⁺ Ionen liefern die Energie für die ATP-Synthase ATP zu synthetisieren. Wenn ATP dephosphoryliert wird, setzt die Spaltung der Phosphatgruppe Energie in einer Form frei, die die Zelle verwenden kann.

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

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

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