فسفریلاسیون: اهمیت و انواع آن در بیوشیمی و زیست شناسی مولکولی

فسفریلاسیون فرآیندی است که طی آن یک گروه فسفریل به یک مولکول ارگانیک اضافه می شود. حذف گروه فسفریل (PO3-) به نام دفسفریلاسیون شناخته می شود. آنزیم ها (مانند کینازها و فسفotransferaseها) هر دو فرآیند فسفریلاسیون و دفسفریلاسیون را انجام می دهند.

فسفریلاسیون در زمینه های بیوشیمی و زیست شناسی مولکولی از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا این واکنش کلیدی در عملکرد پروتئین و آنزیم، متابولیسم قند، و ذخیره و آزادسازی انرژی به شمار می آید.

هدف های فسفریلاسیون

فسفریلاسیون نقش تنظیمی بحرانی در سلول ها ایفا می کند. عملکردهای آن شامل:

• مهم برای قندکافت
• استفاده شده برای تعامل بین پروتئین ها
• استفاده در تخریب پروتئین
• تنظیم مهار آنزیم
• حفظ هموستاز با تنظیم واکنش های شیمیایی نیازمند انرژی

انواع فسفریلاسیون

بسیاری از انواع مولکول ها می توانند تحت فسفریلاسیون و دفسفریلاسیون قرار بگیرند. سه نوع مهم فسفریلاسیون شامل فسفریلاسیون گلوکز، فسفریلاسیون پروتئین، و فسفریلاسیون اکسیداتیو هستند.

فسفریلاسیون گلوکز

گلوکز و سایر قندها معمولاً در مرحله اول متابولیسم خود، فسفریله می شوند. به عنوان مثال، در مرحله اول قندکافت گلوکز D، تبدیل آن به D-glucose-6-phosphate اتفاق می افتد. گلوکز یک مولکول کوچک است که به راحتی وارد سلول ها می شود. فسفریلاسیون یک مولکول بزرگ تری ایجاد می کند که به راحتی نمی تواند وارد بافت شود. بنابراین، فسفریلاسیون برای تنظیم غلظت گلوکز خون حیاتی است. غلظت گلکوز به نوبه خود به طور مستقیم با تشکیل گلیکوژن مرتبط است. علاوه بر این، فسفریلاسیون گلوکز به رشد قلب نیز ارتباط دارد.

فسفریلاسیون پروتئین

فوبوس لوون در موسسه تحقیقات پزشکی راکفلر در سال 1906 اولین پروتئین فسفریله شده (فسویتین) را شناسایی کرد، اما فسفریلاسیون آنزیمی پروتئین ها تا دهه 1930 توصیف نشد.

فسفریلاسیون پروتئین زمانی رخ می دهد که گروه فسفریل به یک آمینواسید اضافه می شود. معمولاً این آمینواسید سرین است، اگرچه فسفریلاسیون همچنین بر روی ترئونین و تیروزین در یوکاریوت ها و هیستیدین در پروکاریوت ها نیز اتفاق می افتد. این یک واکنش استری فیکاسیون است که در آن گروه فسفات با گروه هیدروکسیل (-OH) زنجیره جانبی سرین، ترئونین یا تیروزین واکنش می دهد. آنزیم پروتئین کیناز یک گروه فسفات را به صورت کوالان به آمینواسید متصل می کند. مکانیزم دقیق به طور جزئی بین پروکاریوت ها و یوکاریوت ها متفاوت است. بهترین اشکال مطالعه شده فسفریلاسیون، تغییرات پساترجم های (PTM) است که به معنای فسفریلاسیون پروتئین ها پس از ترجمه از یک الگوی RNA می باشد. واکنش معکوس، دفسفریلاسیون، توسط پروتئین فسفاتازها کاتالیز می شود.

یک مثال مهم از فسفریلاسیون پروتئین، فسفریلاسیون هیستون ها است. در یوکاریوت ها، DNA با پروتئین های هیستون برای تشکیل کروماتین مرتبط است. فسفریلاسیون هیستون ساختار کروماتین را تغییر می دهد و تعاملات پروتئین-پروتئین و DNA-پروتئین آن را تحت تأثیر قرار می دهد. معمولاً فسفریلاسیون زمانی رخ می دهد که DNA آسیب ببیند و فضایی را در اطراف DNA آسیب دیده فراهم کند تا مکانیسم های تعمیر کار خود را انجام دهند.

علاوه بر اهمیت آن در تعمیر DNA، فسفریلاسیون پروتئین نقش کلیدی در متابولیسم و مسیرهای سیگنال دهی ایفا می کند.

فسفریلاسیون اکسیداتیو

فسفریلاسیون اکسیداتیو روشی است که سلول ها برای ذخیره و آزادسازی انرژی شیمیایی استفاده می کنند. در یک سلول یوکاریوتی، این واکنش ها درون میتوکندری ها رخ می دهد. فسفریلاسیون اکسیداتیو شامل واکنش های زنجیره انتقال الکترون و شیمی اوزموز است. به طور خلاصه، واکنش احیا و اکسیداسیون الکترون ها را از پروتئین ها و مولکول های دیگر در زنجیره انتقال الکترون در غشای داخلی میتوکندری منتقل می کند و انرژی آزادشده ای که برای تولید آدنوزین تری فسفات (ATP) در شیمی اوزموز استفاده می شود را آزاد می کند.

در این فرآیند، NADH و FADH2 الکترون ها را به زنجیره انتقال الکترون ارسال می کنند. الکترون ها در حین حرکت در طول زنجیره از انرژی بالا به انرژی پایین منتقل می شوند و انرژی آزاد می کنند. بخشی از این انرژی به پمپ کردن یون های هیدروژن (H+) برای تشکیل یک گرادیان الکتروشیمیایی اختصاص داده می شود. در انتهای زنجیره، الکترون ها به اکسیژن منتقل می شوند که با H+ ترکیب شده و آب را تشکیل می دهد. یون های H+ انرژی لازم برای سنتز ATP توسط ATP سینتاز را تأمین می کنند. هنگامی که ATP دفسفریله می شود، با بریدن گروه فسفات، انرژی را در شکلی آزاد می کند که سلول می تواند از آن استفاده کند.

آدنوزین تنها قاعده ای نیست که تحت فسفریلاسیون قرار می گیرد تا AMP، ADP و ATP تشکیل شود. به عنوان مثال، گوانوزین نیز ممکن است GMP، GDP و GTP تولید کند.

تشخیص فسفریلاسیون

آیا یک مولکول فسفریله شده است یا نه، می تواند با استفاده از آنتی بادی ها، الکتروفورز یا اسپکتروگرافی جرمی شناسایی شود. با این حال، شناسایی و مشخص کردن مکان های فسفریلاسیون دشوار است. برچسب گذاری ایزوتوپی معمولاً با فلورسانس، الکتروفورز و آزمایش های ایمنی ترکیب می شود.