В биохимии фосфорилирование — это присоединение фосфатной группы к молекуле или иону. [1] Этот процесс и его обратный процесс, дефосфорилирование , широко распространены в биологии . [2] Фосфорилирование белков часто активирует (или деактивирует) многие ферменты . [3] [4]
Фосфорилирование имеет важное значение для процессов как анаэробного , так и аэробного дыхания , которые включают выработку аденозинтрифосфата (АТФ), «высокоэнергетической» обменной среды в клетке. Во время аэробного дыхания АТФ синтезируется в митохондриях путем присоединения третьей фосфатной группы к аденозиндифосфату (АДФ) в процессе, называемом окислительным фосфорилированием . АТФ также синтезируется путем фосфорилирования на уровне субстрата во время гликолиза . АТФ синтезируется за счет солнечной энергии путем фотофосфорилирования в хлоропластах растительных клеток.
Фосфорилирование сахаров часто является первой стадией их катаболизма . Фосфорилирование позволяет клеткам накапливать сахара, поскольку фосфатная группа препятствует диффузии молекул обратно через транспортер . Фосфорилирование глюкозы является ключевой реакцией метаболизма сахара. Химическое уравнение превращения D-глюкозы в D-глюкозо-6-фосфат на первой стадии гликолиза имеет вид:
Гликолиз — это важный процесс распада глюкозы на две молекулы пирувата , проходящий через различные этапы с помощью разных ферментов. Это происходит в десять этапов и доказывает, что фосфорилирование является весьма необходимым и необходимым шагом для получения конечных продуктов. Фосфорилирование инициирует реакцию на этапе 1 подготовительного этапа [5] (первая половина гликолиза) и инициирует этап 6 фазы выигрыша (вторая фаза гликолиза). [6]
Глюкоза по своей природе представляет собой небольшую молекулу, способную диффундировать в клетку и из нее. Путем фосфорилирования глюкозы (добавление фосфорильной группы для создания отрицательно заряженной фосфатной группы [7] ) глюкоза превращается в глюкозо-6-фосфат, который удерживается внутри клетки, поскольку клеточная мембрана заряжается отрицательно. Эта реакция происходит благодаря ферменту гексокиназе , ферменту, который помогает фосфорилировать многие шестичленные кольцевые структуры. Фосфорилирование происходит на этапе 3, где фруктозо-6-фосфат превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат . Эту реакцию катализирует фосфофруктокиназа .
В то время как фосфорилирование осуществляется АТФ на подготовительных этапах, фосфорилирование во время фазы выплаты поддерживается неорганическим фосфатом. Каждая молекула глицеральдегид-3-фосфата фосфорилируется с образованием 1,3-бисфосфоглицерата . Эту реакцию катализирует глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (ГАФД). Каскадный эффект фосфорилирования в конечном итоге вызывает нестабильность и позволяет ферментам открывать углеродные связи в глюкозе.
Функции фосфорилирования являются чрезвычайно важным компонентом гликолиза, поскольку они помогают в транспортировке, контроле и эффективности. [8]
Гликоген – это долговременный запас глюкозы, вырабатываемый клетками печени . В печени синтез гликогена напрямую коррелирует с концентрацией глюкозы в крови. Высокая концентрация глюкозы в крови вызывает повышение внутриклеточного уровня глюкозо-6-фосфата в печени, скелетных мышцах и жировой ( жировой ) ткани. Глюкозо-6-фосфат играет роль в регуляции гликогенсинтазы .
Высокий уровень глюкозы в крови высвобождает инсулин , стимулируя перемещение специфических переносчиков глюкозы к клеточной мембране; глюкоза фосфорилируется до глюкозо-6-фосфата во время транспорта через мембрану под действием АТФ-D-глюкозо-6- фосфотрансферазы и неспецифической гексокиназы (АТФ-D-гексозо-6-фосфотрансферазы). [9] [10] Клетки печени свободно проницаемы для глюкозы, и начальная скорость фосфорилирования глюкозы является лимитирующей стадией метаболизма глюкозы в печени. [9]
Решающая роль печени в контроле концентрации сахара в крови путем расщепления глюкозы на углекислый газ и гликоген характеризуется отрицательным значением свободной энергии Гиббса (ΔG), что указывает на то, что это точка регуляции. [ необходимы разъяснения ] Фермент гексокиназа имеет низкую константу Михаэлиса (K m ), что указывает на высокое сродство к глюкозе, поэтому это начальное фосфорилирование может продолжаться даже при уровнях глюкозы в наноскопическом масштабе в крови.
Фосфорилирование глюкозы может быть усилено за счет связывания фруктозо-6-фосфата (F6P) и уменьшено за счет связывания фруктозо-1-фосфата (F1P). Фруктоза, потребляемая с пищей, превращается в печени в F1P. Это сводит на нет действие F6P на глюкокиназу [11] , что в конечном итоге благоприятствует прямой реакции. Способность клеток печени фосфорилировать фруктозу превышает способность метаболизировать фруктозо-1-фосфат. Потребление избыточного количества фруктозы в конечном итоге приводит к дисбалансу метаболизма в печени, что косвенно истощает запасы АТФ в клетках печени. [12]
Аллостерическая активация глюкозо-6-фосфатом, который действует как эффектор, стимулирует гликогенсинтазу, а глюкозо-6-фосфат может ингибировать фосфорилирование гликогенсинтазы с помощью циклической АМФ -стимулируемой протеинкиназы . [10]
Фосфорилирование глюкозы необходимо для процессов внутри организма. Например, фосфорилирование глюкозы необходимо для инсулинозависимой механистической мишени активности пути рапамицина в сердце. Это также предполагает связь между промежуточным метаболизмом и ростом сердца. [13]
Фосфорилирование белков является наиболее распространенной посттрансляционной модификацией у эукариот. Фосфорилирование может происходить на боковых цепях серина , треонина и тирозина (часто называемых «остатками») посредством образования фосфоэфирных связей , на гистидине , лизине и аргинине посредством фосфорамидатных связей , а также на аспарагиновой и глутаминовой кислоте посредством смешанных ангидридных связей . Недавние данные подтверждают широко распространенное фосфорилирование гистидина как по 1, так и по 3 атомам N имидазольного кольца. [14] [15] 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. [16] 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 гораздо сложнее. более сложная задача [16] [17] [18] и для их сохранения наряду с классическим фосфорилированием Ser, Thr и Tyr требуются специальные процедуры и методы разделения. [19]
Выдающаяся роль фосфорилирования белков в биохимии иллюстрируется огромным количеством исследований, опубликованных по этой теме (по состоянию на март 2015 года база данных MEDLINE содержит более 240 000 статей, в основном по фосфорилированию белков ).