Sự phosphoryl hóa

Các Sự phosphoryl hóa là một quá trình sinh hóa cơ bản không chỉ diễn ra ở cơ thể người mà ở tất cả các sinh vật có nhân tế bào và vi khuẩn. Nó là một phần không thể thiếu của quá trình truyền tín hiệu nội bào và là một cách quan trọng để kiểm soát hành vi của tế bào. Hầu hết thời gian, các thành phần của protein được phosphoryl hóa, nhưng các phân tử khác như đường cũng có thể đóng vai trò là chất nền. Theo quan điểm hóa học, quá trình phosphoryl hóa protein tạo ra liên kết este axit photphoric.

Quá trình phosphoryl hóa là gì?

Thuật ngữ phosphoryl hóa mô tả việc chuyển các nhóm photphat thành các phân tử hữu cơ - hầu hết đây là các gốc axit amin tạo nên protein. Phốt phát có cấu trúc tứ diện được tạo thành từ một nguyên tử phốt pho trung tâm và bốn nguyên tử ôxy liên kết cộng hóa trị xung quanh.

Nhóm photphat có điện tích âm kép. Chúng được chuyển đến một phân tử hữu cơ bởi các enzym cụ thể, được gọi là kinase. Với việc tiêu thụ năng lượng, chúng thường liên kết dư lượng photphat với nhóm hydroxyl của protein, để tạo thành este axit photphoric. Tuy nhiên, quá trình này có thể đảo ngược, tức là nó có thể được đảo ngược một lần nữa bởi một số enzym nhất định. Những enzym phân tách nhóm photphat như vậy thường được gọi là phosphataza.

Cả kinase và phosphatase đều đại diện cho lớp enzyme riêng của chúng, có thể được chia nhỏ thành các phân lớp khác theo các tiêu chí khác nhau như loại cơ chất hoặc cơ chế hoạt hóa.

Chức năng & nhiệm vụ

Một vai trò quan trọng của phốt phát, đặc biệt là polyphotphat, trong cơ thể sinh vật là cung cấp năng lượng. Ví dụ nổi bật nhất của điều này là ATP (adenosine triphosphate), là chất mang năng lượng chính trong cơ thể. Do đó, dự trữ năng lượng trong cơ thể người thường có nghĩa là tổng hợp ATP.

Để làm được điều này, một dư lượng photphat phải được chuyển đến một phân tử ADP (adenosine diphosphat) để chuỗi nhóm photphat của nó, được liên kết thông qua liên kết anhydrit photphoric, được kéo dài. Phân tử tạo thành được gọi là ATP (adenosine triphosphate). Năng lượng được lưu trữ theo cách này thu được từ sự phân cắt mới của liên kết, để lại ADP. Một photphat khác cũng có thể được tách ra, nhờ đó AMP (adenosine monophosphat) được hình thành. Mỗi lần một photphat được tách ra, tế bào có sẵn hơn 30 kJ trên mỗi mol.

Đường cũng được phosphoryl hóa trong quá trình chuyển hóa carbohydrate của con người vì lý do năng lượng. Người ta cũng nói đến "giai đoạn thu nhận" và "giai đoạn phục hồi" của quá trình đường phân, vì năng lượng ở dạng nhóm photphat trước tiên phải được đầu tư vào nguyên liệu ban đầu để có được ATP sau này. Ngoài ra, glucose, ví dụ như glucose-6-phosphate, không còn có thể khuếch tán mà không bị cản trở qua màng tế bào và do đó được cố định bên trong tế bào, nơi cần thiết cho các bước trao đổi chất quan trọng khác.

Ngoài ra, phosphoryl hóa và các phản ứng ngược của chúng, ngoài tác dụng ức chế gây dị ứng và ức chế cạnh tranh, đại diện cho cơ chế quyết định để điều hòa hoạt động của tế bào. Các axit amin serine, threonine và tyrosine có trong protein được biến đổi thường xuyên nhất, trong đó serine tham gia vào phần lớn quá trình phosphoryl hóa. Trong trường hợp protein có hoạt tính enzym, cả hai quá trình đều có thể dẫn đến hoạt hóa cũng như bất hoạt, tùy thuộc vào cấu trúc của phân tử.

Ngoài ra, quá trình phosphoryl hóa (de) bằng cách chuyển hoặc loại bỏ điện tích âm gấp đôi cũng có thể dẫn đến cấu trúc của protein thay đổi theo cách mà một số phân tử khác có thể liên kết với các vùng protein bị ảnh hưởng hoặc không còn. Một ví dụ về cơ chế này là lớp thụ thể kết hợp với protein G.

Cả hai cơ chế này đều đóng một vai trò nổi bật trong việc truyền tín hiệu trong tế bào và trong việc điều chỉnh sự trao đổi chất của tế bào. Chúng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào hoặc trực tiếp thông qua hoạt động của enzym hoặc gián tiếp thông qua phiên mã và dịch mã đã thay đổi của DNA.

Bệnh tật & ốm đau

Cũng phổ biến và cơ bản như các chức năng của quá trình phosphoryl hóa, hậu quả nếu cơ chế phản ứng này bị xáo trộn cũng rất đa dạng. Khiếm khuyết hoặc ức chế quá trình phosphoryl hóa, thường do thiếu protein kinase hoặc thiếu hụt chúng, có thể dẫn đến các bệnh chuyển hóa, các bệnh về hệ thần kinh và cơ hoặc tổn thương cơ quan riêng lẻ. Các tế bào thần kinh và cơ thường bị ảnh hưởng đầu tiên, biểu hiện ở các triệu chứng thần kinh và yếu cơ.

Ở một mức độ nhỏ, một số rối loạn của kinase hoặc phosphatase có thể được cơ thể bù đắp, vì đôi khi có một số cách chuyển tiếp tín hiệu và do đó "điểm khiếm khuyết" trong chuỗi tín hiệu có thể bị bỏ qua. Sau đó, ví dụ, một protein khác thay thế protein bị lỗi. Mặt khác, hiệu suất giảm của các enzym có thể được bù đắp bằng cách tăng sản lượng.

Các độc tố bên trong và bên ngoài cũng như đột biến gen là những nguyên nhân có thể gây ra sự thiếu hụt hoặc hoạt động sai của kinase và phosphatase.

Nếu một đột biến như vậy xảy ra trong DNA của ti thể, sẽ có những tác động tiêu cực đến quá trình phosphoryl hóa oxy hóa và do đó tổng hợp ATP, nhiệm vụ chính của các bào quan tế bào này. Ví dụ như một bệnh về ty lạp thể là LHON (bệnh thần kinh thị giác di truyền Leber), trong đó mất thị lực nhanh chóng, đôi khi kết hợp với rối loạn nhịp tim. Bệnh này được di truyền từ mẹ, tức là độc quyền từ mẹ, vì chỉ DNA ty thể của cô ấy được truyền cho con chứ không phải của cha.