Кіріспе

Фосфорлану – биохимияда молекулаға немесе ионға фосфат тобын қосу процесі. Бұл процесс және оның кері процесі – дефосфорлану биологияда жиі кездеседі. Ақуыздың фосфорлануы көптеген ферменттерді белсендіреді (немесе белсенділігін төмендетеді).

Тыныс алу және фотосинтез кезінде

Фосфорилирлеу анаэробты және аэробты тыныс алу процестерінде өте маңызды, олар аденозин трифосфатын (АТФ) – жасушадағы "жоғары энергиялы" алмасу ортасын өндіруді қамтиды. Аэробты тыныс алу кезінде АТФ митохондрияда окистендіруші фосфорилирлеу процесі арқылы аденозин дифосфатына (АДФ) үшінші фосфат тобын қосу нәтижесінде синтезделеді. АТФ гликолиз кезінде субстрат деңгейіндегі фосфорилирлеу арқылы да синтезделеді. Өсімдік жасушаларының хлоропластарында АТФ күн энергиясының есебінен фотофосфорилирлеу арқылы синтезделеді.

Гликолиз

Гликолиз – глюкозаның әртүрлі ферменттердің көмегімен бірнеше қадамдар арқылы пируваттың екі молекуласына ыдырауының маңызды процесі. Ол он қадамнан тұрады және фосфорилирлеудің соңғы өнімдерге жету үшін өте қажетті екенін көрсетеді. Фосфорилирлеу дайындық кезеңінің (гликолиздің бірінші жартысы) 1-қадамында және өтеу кезеңінің (гликолиздің екінші жартысы) 6-қадамында реакцияны бастайды. Глюкоза – жасушаға кіріп-шыға алатын кішкентай молекула. Глюкозаны фосфорилирлеу (теріс зарядталған фосфат тобын жасау үшін фосфорил тобын қосу) нәтижесінде глюкоза глюкоза-6-фосфатқа айналады, ол жасуша мембранасы теріс зарядталғандықтан жасуша ішінде тұрақтанады. Бұл реакция гексокиназа ферментінің әсерінен жүзеге асырылады, ол көптеген алты мүшелі сақиналық құрылымдарды фосфорилирлеуге көмектеседі. Фосфорилирлеу 3-қадамда жүзеге асады, онда фруктоза-6-фосфаты фруктоза-1,6-бисфосфатқа айналады. Бұл реакция фосфофруктокиназа ферментімен катализденеді. Дайындық кезеңінде фосфорилирлеу АТФ арқылы жүзеге асырылса, өтеу кезеңінде бейорганикалық фосфат қолданылады. Глицеральдегид-3-фосфатының әрбір молекуласы 1,3-бисфосфоглицератты түзету үшін фосфорилирленеді. Бұл реакция глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа (GAPDH) ферментімен катализденеді. Фосфорилирлеудің тізбектей әсері нәтижесінде тұрақсыздық туындайды, бұл ферменттерге глюкозадағы көміртекті байланыстарды бұзуға мүмкіндік береді. Фосфорилирлеу гликолиздің өте маңызды компоненті болып табылады, себебі ол тасымалдау, реттеу және тиімділікке көмектеседі.

Гликоген синтезі

Гликоген – бауыр жасушалары синтездейтін, глюкозаның ұзақ мерзімді қоры. Бауырда гликоген синтезі қандағы глюкоза концентрациясымен тікелей байланысты. Қандағы глюкоза концентрациясының жоғарылауы бауырда, қаңқа бұлшық еттерінде және май (жанар) тінінде глюкоза-6-фосфатының жасуша ішіндегі деңгейінің артуына алып келеді. Глюкоза-6-фосфаты гликоген синтезасын реттеуде маңызды рөл атқарады. Қандағы глюкоза деңгейінің жоғарылауы инсулин бөлінуіне себеп болады, ол жасуша мембранасына белгілі глюкоза тасымалдаушыларын жылжытуды ынталандырады; глюкоза мембрана арқылы тасымалдау кезінде АТФ-қа тәуелді глюкоза-6-фосфотрансфераза және бөгде гексокиназа (АТФ-қа тәуелді гексоза-6-фосфотрансфераза) арқылы глюкоза-6-фосфатына фосфорилденеді. Бауыр жасушалары глюкозаға еркін өткізгіш, ал глюкозаның бастапқы фосфорилдену жылдамдығы бауырдағы глюкоза метаболизмінің шектеуші қадамы болып табылады. Бауырдың қандағы қант концентрациясын бақылаудағы маңызды рөлі, глюкозаны көмірқышқыл газы мен гликогенге ыдырату арқылы теріс Гиббс еркін энергиясымен (ΔG) сипатталады, бұл осы процестің реттелу нүктесі екенін көрсетеді. Гексокиназа ферментінің Микаэлис тұрақтысы (K) төмен, яғни глюкозаға жоғары сәйкестік көрсетеді, сондықтан бұл бастапқы фосфорилдену қандағы глюкоза деңгейі наноскоптық өлшемде болғанда да жүзеге асуы мүмкін. Глюкозаның фосфорилденуі фруктоза-6-фосфатымен (F6P) байланысу арқылы күшейтілуі мүмкін, ал фруктоза-1-фосфатымен (F1P) байланысу арқылы әлсіреуі мүмкін. Диетамен түсетін фруктоза бауырда F1P-ға айналады. Бұл глюкокиназаға F6P-ның әсерін жояды, нәтижесінде тікелей реакцияға жағдай жасалады. Бауыр жасушаларының фруктозаны фосфорилдеу қабілеті фруктоза-1-фосфатын метаболизмдеу қабілетінен асып түседі. Фруктозаның артық мөлшерін тұтыну нәтижесінде бауыр метаболизмінде тепе-теңдік бұзылады, бұл бауыр жасушаларының АТФ қорын жанама түрде азайтады. Эффектор ретінде әрекет ететін глюкоза-6-фосфатының аллостериялық белсенділігі гликоген синтезасын ынталандырады, ал глюкоза-6-фосфаты циклдық АМФ-қа стимуляцияланған протеинкиназа арқылы гликоген синтезасының фосфорилденуін тежеуі мүмкін.

Белсенділерді фосфорилирлеу

Ақуыз фосфорилирлеуі – эукариоттарда трансляциядан кейінгі ең көп кездесетін модификация. Фосфорилдану серин, треонин және тирозин жақ тізбектерінде (көбінесе "қалдықтар" деп аталады) фосфоэстер байланысы арқылы, гистидин, лизин және аргининде фосфорамидат байланысы арқылы, аспартик қышқыл және глутамин қышқылында аралас ангидрид байланысы арқылы жүзеге асуы мүмкін. Жақында алынған мәліметтер имидазол сақинасының 1 және 3 N атомдарында гистидин фосфорилирлеуінің кең таралғанын растайды. Соңғы зерттеулер HeLa жасушаларының экстракттерінде фосфорилденген гистидин, аспартат, глутамат, цистеин, аргинин және лизин мотивтерін қамтитын, көптеген канондық емес аминқышқылдарында кең таралған адам ақуыздарының фосфорилирленуін көрсетеді. Дегенмен, осы фосфорилденген қалдықтардың химиялық тұрақсыздығына және Сер, Тр және Тир фосфорилирлеуімен салыстырғанда, стандартты биохимиялық және массалық спектрометриялық тәсілдерді қолдана отырып, фосфорилденген гистидинді (және басқа да канондық емес аминқышқылдарын) талдау әлдеқайда қиын, ал классикалық Сер, Тр және Тир фосфорилирлеуімен бірге оларды сақтау үшін арнайы процедуралар мен бөлу техникалары қажет. Биохимияда ақуыз фосфорилирлеуінің маңызды рөлін осы тақырыпта жарияланған көптеген зерттеулер көрсетеді (2015 жылдың наурыз айына қарай, MEDLINE деректер базасы 240 000-нан астам мақалаларды, көбінесе ақуыз фосфорилирлеу туралы, қамтиды).