Fosforylering en hoe het werkt

Fosforylering is de chemische toevoeging van een fosforylgroep (PO₃^-) naar een organische molecuul. Het verwijderen van een fosforylgroep wordt defosforylering genoemd. Zowel fosforylering als defosforylering worden uitgevoerd door enzymen (bijvoorbeeld kinasen, fosfotransferasen). Fosforylering is belangrijk op het gebied van biochemie en moleculaire biologie omdat het een belangrijke reactie is in de eiwit- en enzymfunctie, het suikermetabolisme en de opslag en afgifte van energie.

Fosforylering speelt een cruciale regulerende rol in cellen. Zijn functies omvatten:

• Belangrijk voor glycolyse
• Gebruikt voor eiwit-eiwit interactie
• Gebruikt bij eiwitafbraak
• Regelt enzymremming
• Behoudt homeostase door het reguleren van energie-vereiste chemische reacties

Veel soorten moleculen kunnen fosforylering en defosforylering ondergaan. Drie van de belangrijkste soorten fosforylering zijn glucosefosforylering, eiwitfosforylering en oxidatieve fosforylering.

Glucose en andere suikers worden vaak gefosforyleerd als de eerste stap van hun katabolisme. De eerste stap van glycolyse van D-glucose is bijvoorbeeld de omzetting ervan in D-glucose-6-fosfaat. Glucose is een klein molecuul dat gemakkelijk cellen doordringt. Fosforylering vormt een groter molecuul dat niet gemakkelijk in het weefsel kan komen. Fosforylering is dus cruciaal voor het reguleren van de bloedglucoseconcentratie. Glucoseconcentratie is op zijn beurt direct gerelateerd aan de vorming van glycogeen. Glucose fosforylering is ook gekoppeld aan hartgroei.

Phoebus Levene van het Rockefeller Institute for Medical Research was de eerste die een gefosforyleerd eiwit (fosvitine) in 1906, maar enzymatische fosforylering van eiwitten werd niet beschreven tot de jaren 1930.

Eiwitfosforylering treedt op wanneer de fosforylgroep wordt toegevoegd een aminozuur. Gewoonlijk is het aminozuur serine, hoewel fosforylering ook voorkomt op threonine en tyrosine in eukaryoten en histidine in prokaryoten. Dit is een veresteringsreactie waarbij een fosfaatgroep reageert met de hydroxyl (-OH) groep van een serine-, threonine- of tyrosine-zijketen. Het enzym proteïne kinase bindt covalent een fosfaatgroep aan het aminozuur. Het precieze mechanisme verschilt enigszins tussen prokaryoten en eukaryoten. De best bestudeerde vormen van fosforylering zijn posttranslationele modificaties (PTM), wat betekent dat de eiwitten worden gefosforyleerd na translatie van een RNA-sjabloon. De omgekeerde reactie, defosforylering, wordt gekatalyseerd door eiwitfosfatasen.

Een belangrijk voorbeeld van eiwitfosforylering is de fosforylering van histonen. Bij eukaryoten wordt DNA geassocieerd met te vormen histon-eiwitten chromatine. Histonfosforylering wijzigt de structuur van chromatine en verandert de eiwit-eiwit- en DNA-eiwit-interacties. Meestal vindt fosforylering plaats wanneer DNA is beschadigd, waardoor ruimte wordt vrijgemaakt rond gebroken DNA zodat reparatiemechanismen hun werk kunnen doen.

Naast het belang ervan in DNA-reparatie, fosforylering van eiwitten speelt een sleutelrol in metabolisme en signaalwegen.

Oxidatieve fosforylering is hoe een cel chemische energie opslaat en afgeeft. In een eukaryotische cel treden de reacties op in de mitochondriën. Oxidatieve fosforylering bestaat uit de reacties van de elektronentransportketen en die van chemiosmosis. Samengevat, redoxreacties passeren elektronen van eiwitten en andere moleculen langs de elektrontransportketen in het binnenmembraan van de mitochondriën, waarbij energie vrijkomt die wordt gebruikt om adenosine trifosfaat (ATP) bij chemiosmose.

In dit proces, NADH en FADH₂ elektronen leveren aan de elektrontransportketen. Elektronen bewegen van hogere energie naar lagere energie terwijl ze door de keten vorderen en onderweg energie vrijmaken. Een deel van deze energie gaat naar het pompen van waterstofionen (H⁺) om een ​​elektrochemische gradiënt te vormen. Aan het einde van de keten worden elektronen overgebracht naar zuurstof, die zich verbinden met H⁺ om water te vormen. H⁺ ionen leveren de energie voor ATP-synthase om ATP te synthetiseren. Wanneer ATP wordt gedefosforyleerd, geeft het splitsen van de fosfaatgroep energie af in een vorm die de cel kan gebruiken.

Adenosine is niet de enige base die fosforylering ondergaat om AMP, ADP en ATP te vormen. Guanosine kan bijvoorbeeld ook GMP, GDP en GTP vormen.

Of een molecuul al dan niet is gefosforyleerd kan worden gedetecteerd met behulp van antilichamen, elektroforeseof massaspectrometrie. Het identificeren en karakteriseren van fosforylatieplaatsen is echter moeilijk. Isotopenetikettering wordt vaak gebruikt in combinatie met fluorescentie, elektroforese en immunoassays.

• Kresge, Nicole; Simoni, Robert D.; Hill, Robert L. (2011-01-21). "Het proces van omkeerbare fosforylering: het werk van Edmond H. Fischer ". Journal of Biological Chemistry. 286 (3).
• Sharma, Saumya; Guthrie, Patrick H.; Chan, Suzanne S.; Haq, Syed; Taegtmeyer, Heinrich (01-10-2007). "Glucose fosforylering is vereist voor insuline-afhankelijke mTOR-signalen in het hart". Cardiovasculair onderzoek. 76 (1): 71–80.