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Phosphorylierung – Was ist das und wie funktioniert es?

Phosphorylierung ist die chemische Zugabe einer Phosphorylgruppe (PO3-) zu einem organischen Molekül. Die Entfernung einer Phosphorylgruppe wird Dephosphorylierung genannt. Sowohl die Phosphorylierung als auch die Dephosphorylierung werden durch Enzyme (z. B. Kinasen, Phosphotransferasen) durchgeführt. Phosphorylierung ist wichtig in den Bereichen Biochemie und Molekularbiologie, weil sie eine Schlüsselreaktion in der Protein- und Enzymfunktion, dem Zuckerstoffwechsel und der Energiespeicherung und -freisetzung ist.

Zwecke der Phosphorylierung

Phosphorylierung spielt eine entscheidende regulatorische Rolle in Zellen.

  • Wichtig für die Glykolyse
  • Verwendet für die Protein-Protein-Interaktion
  • Verwendung beim Proteinabbau
  • Reguliert die Enzymhemmung
  • Hält Diehomöostase aufrecht, indem energiebezichtige chemische Reaktionen reguliert werden

Arten der Phosphorylierung

Viele Arten von Molekülen können Phosphorylierung und Dephosphorylierung unterzogen werden. Drei der wichtigsten Arten der Phosphorylierung sind Glukosephosphorylierung, Proteinphosphorylierung und oxidative Phosphorylierung.

  • Glukose-Phosphorylierung
    Zum Beispiel ist der erste Schritt der Glykolyse von D-Glukose seine Umwandlung in D-Glukose-6-Phosphat. Glukose ist ein kleines Molekül, das Zellen leicht durchdringt. Phosphorylierung bildet ein größeres Molekül, das nicht leicht in Gewebe gelangen kann. Daher ist die Phosphorylierung entscheidend für die Regulierung der Blutzuckerkonzentration. Die Glukosekonzentration wiederum steht in direktem Zusammenhang mit der Glykogenbildung. Glukosephosphorylierung ist auch mit Herzwachstum verbunden.
  • Protein-Phosphorylierung
    Proteinphosphorylierung tritt auf, wenn die Phosphoryl Gruppe einer Aminosäure zugesetzt wird. Normalerweise ist die Aminosäure Serin, obwohl Phosphorylierung auch auf Threonin und Tyrosin in Eukaryoten und Histidin in Prokaryoten auftritt. Dies ist eine Veresterungsreaktion, bei der eine Phosphatgruppe mit der Hydroxylgruppe (-OH) einer Serin-, Threonin- oder Tyrosin-Seitenkette reagiert. Das Enzym Protein Kinase bindet kovalent eine Phosphatgruppe an die Aminosäure. Der genaue Mechanismus unterscheidet sich etwas zwischen Prokaryoten und Eukaryoten. Die am besten untersuchten Formen der Phosphorylierung sind posttranslationale Modifikationen (PTM), was bedeutet, dass die Proteine nach der Translation aus einer RNA-Vorlage phosphoryliert werden. Die umgekehrte Reaktion, die Dephosphorylierung, wird durch Proteinphosphatasen katalysiert. Ein wichtiges Beispiel für Proteinphosphorylierung ist die Phosphorylierung von Histonen. In Eukaryoten wird DNA mit Histon Proteinen assoziiert, um Chromatin zu bilden. Die Histonphosphorylierung verändert die Struktur von Chromatin und verändert seine Protein-Protein- und DNA-Protein-Wechselwirkungen. Normalerweise tritt Phosphorylierung auf, wenn DNA beschädigt ist, und öffnet Raum um gebrochene DNA, so dass Reparaturmechanismen ihre Arbeit tun können. Neben seiner Bedeutung bei der DNA-Reparatur spielt die Proteinphosphorylierung eine Schlüsselrolle im Stoffwechsel.
  • Oxidative Phosphorylierung
    Oxidative Phosphorylierung ist, wie eine Zelle chemische Energie speichert und freisetzt. In einer eukaryotischen Zelle treten die Reaktionen innerhalb der Mitochondrien auf. Die oxidative Phosphorylierung besteht aus den Reaktionen der Elektronentransportkette und der Chemiosmose. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Redoxreaktion Elektronen aus Proteinen und anderen Molekülen entlang der Elektronentransportkette in der inneren Membran der Mitochondrien weitergibt und Energie freisetzt, die zur Herstellung von Adenosintriphosphat (ATP) bei Chemiosmose verwendet wird. Dabei haben NADH und FADH2 Elektronen an die Elektronentransportkette geliefert. Elektronen bewegen sich von höherer Energie zu niedrigerer Energie, während sie entlang der Kette voranschreiten und Energie auf dem Weg freisetzen. Ein Teil dieser Energie fließt in das Pumpen von Wasserstoffionen (H) zu einem elektrochemischen Gradienten. Am Ende der Kette werden Elektronen in Sauerstoff übertragen, der sich mit H zu Wasser verklebt. H-Ionen liefern die Energie für ATP-Synthase, um ATP zu synthetisieren. Wenn ATP dephosphoryliert wird, gibt das Verkleben der Phosphatgruppe Energie in einer Form frei, die die Zelle verwenden kann. Adenosin ist nicht die einzige Basis, die Phosphorylierung durchläuft, um AMP, ADP und ATP zu bilden. Guanosin kann beispielsweise auch GMP, BIP und GTP bilden.

Nachweis der Phosphorylierung

Ob ein Molekül phosphoryliert wurde, kann mit Antikörpern, Elektrophorese oder Massenspektrometrie nachgewiesen werden. Es ist jedoch schwierig, Phosphorylierungsstellen zu identifizieren und zu charakterisieren. Isotopenkennzeichnung wird häufig in Verbindung mit Fluoreszenz, Elektrophorese und Immunoassays verwendet.

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