La fosforilazione

Il La fosforilazione è un processo fondamentale della biochimica che si svolge non solo nell'organismo umano, ma in tutti gli esseri viventi con nucleo cellulare e batteri. È una parte indispensabile della trasduzione del segnale intracellulare e un modo importante per controllare il comportamento cellulare. Il più delle volte, i componenti delle proteine ​​sono fosforilati, ma anche altre molecole come lo zucchero possono fungere da substrati. Da un punto di vista chimico, la fosforilazione delle proteine ​​crea un legame estere dell'acido fosforico.

Cos'è la fosforilazione?

Il termine fosforilazione descrive il trasferimento di gruppi fosfato a molecole organiche, principalmente questi sono i residui di amminoacidi che compongono le proteine. I fosfati hanno una struttura tetraedrica composta da un atomo di fosforo centrale e quattro atomi di ossigeno circostanti legati in modo covalente.

I gruppi fosfato hanno una doppia carica negativa. Sono trasferiti a una molecola organica da enzimi specifici, le cosiddette chinasi. Con il consumo di energia, questi solitamente legano il residuo fosfato a un gruppo idrossile di una proteina, in modo che si formi un estere dell'acido fosforico. Tuttavia, questo processo è reversibile, ad es. può essere invertito, ancora una volta da alcuni enzimi. Tali enzimi che separano i gruppi fosfato sono generalmente indicati come fosfatasi.

Sia le chinasi che le fosfatasi rappresentano ciascuna una propria classe enzimatica, che può essere suddivisa in ulteriori sottoclassi secondo vari criteri come il tipo di substrato o il meccanismo di attivazione.

Funzione e compito

Un ruolo cruciale dei fosfati, soprattutto dei polifosfati, nell'organismo è l'apporto di energia. L'esempio più evidente di questo è l'ATP (adenosina trifosfato), che è il principale vettore energetico nel corpo. Lo stoccaggio di energia nell'organismo umano quindi di solito significa la sintesi di ATP.

Per fare ciò, un residuo di fosfato deve essere trasferito a una molecola di ADP (adenosina difosfato) in modo che la sua catena di gruppi fosfato, che sono collegati tramite legami di anidride fosforica, si estenda. La molecola risultante è chiamata ATP (adenosina trifosfato). L'energia accumulata in questo modo è ottenuta dalla rinnovata scissione del legame, lasciandosi alle spalle l'ADP. Un ulteriore fosfato può anche essere scisso, per cui si forma AMP (adenosina monofosfato). Ogni volta che un fosfato viene scisso, la cellula ha più di 30 kJ per mole disponibile.

Lo zucchero è anche fosforilato nel corso del metabolismo dei carboidrati umani per ragioni energetiche. Si parla anche di una "fase di raccolta" e di una "fase di recupero" della glicolisi, poiché l'energia sotto forma di gruppi fosfato deve essere prima investita nei materiali di partenza per ottenere successivamente ATP. Inoltre il glucosio, ad esempio come glucosio-6-fosfato, non può più diffondersi indisturbato attraverso la membrana cellulare e viene quindi fissato all'interno della cellula, dove è richiesto per altri importanti passaggi metabolici.

Inoltre, le fosforilazioni e le loro reazioni inverse, oltre all'inibizione allosterica e competitiva, rappresentano i meccanismi decisivi per la regolazione dell'attività cellulare Nella maggior parte dei casi le proteine ​​sono fosforilate o defosforilate. Gli aminoacidi serina, treonina e tirosina contenuti nelle proteine ​​vengono modificati più frequentemente, con la serina coinvolta nella stragrande maggioranza delle fosforilazioni. Nel caso di proteine ​​con attività enzimatica, entrambi i processi possono portare sia all'attivazione che all'inattivazione, a seconda della struttura della molecola.

In alternativa, la (de) fosforilazione trasferendo o rimuovendo una doppia carica negativa può anche portare alla conformazione della proteina che cambia in modo tale che alcune altre molecole possano legarsi ai domini proteici interessati o semplicemente non più. Un esempio di questo meccanismo è la classe dei recettori accoppiati a proteine ​​G.

Entrambi i meccanismi svolgono un ruolo fondamentale nella trasmissione dei segnali all'interno della cellula e nella regolazione del metabolismo cellulare. Possono influenzare il comportamento di una cellula direttamente tramite l'attività enzimatica o indirettamente tramite la trascrizione e la traduzione alterate del DNA.

Malattie e disturbi

Universali e fondamentali come le funzioni delle fosforilazioni, le conseguenze se questo meccanismo di reazione viene disturbato sono altrettanto varie. Un difetto o un'inibizione della fosforilazione, solitamente innescata da una carenza di proteine ​​chinasi o da una loro carenza, può portare a malattie metaboliche, malattie del sistema nervoso e dei muscoli o danni ai singoli organi. Le cellule nervose e muscolari sono spesso colpite per prime, il che si manifesta con sintomi neurologici e debolezza muscolare.

In piccola misura, alcuni disturbi delle chinasi o fosfatasi possono essere compensati dal corpo, poiché a volte ci sono diversi modi per inoltrare un segnale e quindi il "punto difettoso" nella catena del segnale può essere bypassato. Quindi, ad esempio, un'altra proteina sostituisce quella difettosa. Una ridotta efficienza degli enzimi, invece, può essere compensata semplicemente aumentando la produzione.

Le tossine interne ed esterne e le mutazioni genetiche sono possibili cause di carenza o malfunzionamento di chinasi e fosfatasi.

Se una tale mutazione avviene nel DNA dei mitocondri, si hanno effetti negativi sulla fosforilazione ossidativa e quindi sulla sintesi di ATP, compito principale di questi organelli cellulari. Una tale malattia mitocondriale è, ad esempio, la LHON (neuropatia ottica ereditaria di Leber), in cui si verifica una rapida perdita della vista, a volte in combinazione con aritmie cardiache. Questa malattia è ereditata dalla madre, ad es. esclusivamente dalla madre, poiché al bambino viene trasmesso solo il suo DNA mitocondriale, ma non quello del padre.