Fosforüülimine

Fosforüülimine on biokeemia põhiprotsess, mis toimub mitte ainult inimese organismis, vaid kõigis elusoludes koos raku tuuma ja bakteritega. See on rakusisese signaaliülekande asendamatu osa ja oluline viis rakkude käitumise kontrollimiseks. Enamasti on valkude komponendid fosforüülitud, kuid substraadiks võivad olla ka muud molekulid, näiteks suhkur. Keemilisest seisukohast loob valkude fosforüülimine fosforhappe estri sideme.

Mis on fosforüülimine?

Mõiste fosforüülimine kirjeldab fosfaatrühmade ülekandmist orgaanilistesse molekulidesse - enamasti on need aminohapete jäägid, mis moodustavad valke. Fosfaatidel on tetraeedriline struktuur, mis koosneb tsentraalsest fosforiaatomist ja neljast ümbritsevast kovalentselt seotud hapnikuaatomist.

Fosfaatrühmadel on kahekordne negatiivne laeng. Spetsiifiliste ensüümide, niinimetatud kinaaside abil viiakse need orgaanilisse molekuli. Energiatarbimisega seovad need fosfaatjäägi tavaliselt valgu hüdroksüülrühmaga, moodustades fosforhappe estri. See protsess on aga pöörduv, s.t. seda võivad teatud ensüümid jälle pöörata. Selliseid ensüüme, mis eraldavad fosfaatrühmi, nimetatakse tavaliselt fosfataasideks.

Nii kinaasid kui ka fosfataasid esindavad kumbki oma ensüümiklassi, mida saab jagada erinevateks kriteeriumiteks, nagu substraadi tüüp või aktiveerimise mehhanism, täiendavateks alamklassideks.

Funktsioon ja ülesanne

Fosfaatide, eriti polüfosfaatide oluline roll organismis on energiavarustus. Kõige silmatorkavam näide sellest on ATP (adenosiintrifosfaat), mis on kehas peamine energiakandja. Seetõttu tähendab energia salvestamine inimorganismis tavaliselt ATP sünteesi.

Selleks tuleb fosfaatjääk viia ADP (adenosiindifosfaat) molekuli, nii et selle fosfaatrühmade ahel, mis on seotud fosforanhüdriidsidemetega, pikeneks. Saadud molekuli nimetatakse ATP-ks (adenosiintrifosfaat). Sel viisil salvestatud energia saadakse sideme uuendatud lõhustumisel, jättes ADP maha. Samuti võib osa fosfaadist eralduda, moodustades AMP (adenosiinmonofosfaat). Iga kord, kui fosfaat eraldatakse, on rakus saadaval rohkem kui 30 kJ mooli kohta.

Suhkur fosforüülitakse ka inimese süsivesikute metabolismi käigus energeetilistel põhjustel. Samuti räägitakse glükolüüsi "kogumisfaasist" ja "taastumisfaasist", kuna fosfaatrühmade kujul olev energia tuleb kõigepealt investeerida lähteainetesse, et hiljem ATP saada. Lisaks ei saa glükoos, näiteks glükoos-6-fosfaadina, enam takistamatult difundeeruda läbi rakumembraani ja fikseeritakse seetõttu raku sees, kus see on vajalik muude oluliste metaboolsete etappide jaoks.

Lisaks on fosforüülimised ja nende pöördreaktsioonid lisaks allosteerilisele ja konkureerivale pärssimisele raku aktiivsuse reguleerimise otsustavad mehhanismid. Enamasti on valgud fosforüülitud või defosforüülitud. Valkudes sisalduvaid aminohappeid seriin, treoniin ja türosiin modifitseeritakse kõige sagedamini, kusjuures seriin osaleb valdavas enamuses fosforüülimistes. Ensüümi aktiivsusega valkude korral võivad mõlemad protsessid sõltuvalt molekuli struktuurist põhjustada nii aktiveerimist kui ka inaktiveerimist.

Alternatiivselt võib (de) fosforüülimine topeltnegatiivse laengu ülekandmise või eemaldamise kaudu viia ka valgu konformatsiooni muutumiseni nii, et teatud muud molekulid võivad seostuda mõjutatud valgu domeenidega või siis enam mitte. Selle mehhanismi näiteks on G-valguga seotud retseptorite klass.

Mõlemad mehhanismid mängivad silmapaistvat rolli signaalide edastamisel rakus ja raku metabolismi reguleerimises. Nad võivad mõjutada raku käitumist kas otseselt ensüümi aktiivsuse kaudu või kaudselt DNA muudetud transkriptsiooni ja translatsiooni kaudu.

Haigused ja tervisehäired

Nii universaalsed kui fundamentaalsed kui fosforüülimiste funktsioonid, on selle reaktsioonimehhanismi häirimise tagajärjed sama mitmekesised. Fosforüülimise defekt või pärssimine, mille tavaliselt põhjustab proteiinkinaaside puudus või nende puudus, võib põhjustada metaboolseid haigusi, närvisüsteemi ja lihaste haigusi või üksikute organite kahjustusi. Kõigepealt mõjutavad sageli närvi- ja lihasrakud, mis väljendub neuroloogiliste sümptomite ja lihaste nõrkuses.

Vähesel määral saab organism kinaaside või fosfataaside mõningaid häireid kompenseerida, kuna signaali edastamiseks on mõnikord mitu võimalust ja seega saab signaaliahela "defektsest punktist" mööda minna. Siis näiteks asendab vigane teist valku. Ensüümide vähenenud efektiivsust saab seevastu kompenseerida lihtsalt tootmise suurendamisega.

Kinaaside ja fosfataaside puudulikkuse või talitlushäire võimalikud põhjused on sisemised ja välised toksiinid, samuti geneetilised mutatsioonid.

Kui selline mutatsioon toimub mitokondrite DNA-s, avaldab see negatiivset mõju oksüdatiivsele fosforüülimisele ja seega ATP sünteesile, mis on nende rakuorganiidide peamine ülesanne. Selliseks mitokondriaalseks haiguseks on näiteks LHON (Leberi pärilik optiline neuropaatia), mille korral on kiire nägemise kaotus, mõnikord koos südame rütmihäiretega. See haigus on päritud emalt, s.t. eranditult emalt, kuna lapsele kandub edasi ainult tema mitokondriaalne DNA, kuid mitte isa.