Fosforilación

los Fosforilación es un proceso fundamental de bioquímica que tiene lugar no solo en el organismo humano, sino en todos los seres vivos con núcleo celular y bacterias. Es una parte indispensable de la transducción de señales intracelulares y una forma importante de controlar el comportamiento celular. La mayoría de las veces, los componentes de las proteínas están fosforilados, pero otras moléculas, como el azúcar, también pueden servir como sustratos. Desde un punto de vista químico, la fosforilación de proteínas crea un enlace éster de ácido fosfórico.

¿Qué es la fosforilación?

El término fosforilación describe la transferencia de grupos fosfato a moléculas orgánicas; en su mayoría, estos son los residuos de aminoácidos que forman las proteínas. Los fosfatos tienen una estructura tetraédrica formada por un átomo de fósforo central y cuatro átomos de oxígeno circundantes unidos covalentemente.

Los grupos fosfato tienen una doble carga negativa. Se transfieren a una molécula orgánica mediante enzimas específicas, las llamadas quinasas. Con el consumo de energía, estos generalmente unen el residuo de fosfato a un grupo hidroxilo de una proteína, de modo que se forma un éster de ácido fosfórico. Sin embargo, este proceso es reversible, es decir puede ser revertido, nuevamente por ciertas enzimas. Estas enzimas que se separan de los grupos fosfato se denominan generalmente fosfatasas.

Tanto las quinasas como las fosfatasas representan cada una su propia clase de enzimas, que se pueden subdividir en otras subclases de acuerdo con varios criterios, como el tipo de sustrato o el mecanismo de activación.

Función y tarea

Un papel crucial de los fosfatos, especialmente los polifosfatos, en el organismo es el suministro de energía. El ejemplo más destacado de esto es el ATP (trifosfato de adenosina), que es el principal portador de energía del cuerpo. El almacenamiento de energía en el organismo humano, por lo tanto, generalmente significa la síntesis de ATP.

Para hacer esto, un residuo de fosfato debe transferirse a una molécula de ADP (difosfato de adenosina) para que se extienda su cadena de grupos fosfato, que están unidos mediante enlaces de anhídrido fosfórico. La molécula resultante se llama ATP (trifosfato de adenosina). La energía almacenada de esta manera se obtiene de la ruptura renovada del enlace, dejando atrás ADP. También se puede escindir otro fosfato, con lo que se forma AMP (monofosfato de adenosina). Cada vez que se separa un fosfato, la celda tiene más de 30 kJ por mol disponible.

El azúcar también se fosforila en el curso del metabolismo de los carbohidratos humanos por razones energéticas. También se habla de una "fase de recogida" y una "fase de recuperación" de la glucólisis, ya que la energía en forma de grupos fosfato debe invertirse primero en los materiales de partida para obtener posteriormente ATP. Además, la glucosa, por ejemplo como glucosa-6-fosfato, ya no puede difundirse sin obstáculos a través de la membrana celular y, por lo tanto, se fija dentro de la célula, donde es necesaria para otros pasos metabólicos importantes.

Además, las fosforilaciones y sus reacciones inversas, además de la inhibición alostérica y competitiva, representan los mecanismos decisivos para la regulación de la actividad celular, siendo la mayoría de las veces las proteínas fosforiladas o desfosforiladas. Los aminoácidos serina, treonina y tirosina contenidos en las proteínas se modifican con mayor frecuencia, y la serina participa en la inmensa mayoría de las fosforilaciones. En el caso de proteínas con actividad enzimática, ambos procesos pueden conducir tanto a la activación como a la inactivación, dependiendo de la estructura de la molécula.

Alternativamente, la (des) fosforilación mediante la transferencia o eliminación de una carga doble negativa también puede conducir a que la conformación de la proteína cambie de tal manera que algunas otras moléculas puedan unirse a los dominios de la proteína afectados o simplemente ya no. Un ejemplo de este mecanismo es la clase de receptores acoplados a proteína G.

Ambos mecanismos juegan un papel destacado en la transmisión de señales dentro de la célula y en la regulación del metabolismo celular. Pueden influir en el comportamiento de una célula directamente a través de la actividad de la enzima o indirectamente a través de la transcripción y traducción alterada del ADN.

Enfermedades y dolencias

Tan universales y fundamentales como las funciones de las fosforilaciones, las consecuencias si se perturba este mecanismo de reacción son igualmente variadas. Un defecto o una inhibición de la fosforilación, generalmente desencadenada por una deficiencia de proteína quinasas o su daño, puede conducir a enfermedades metabólicas, enfermedades del sistema nervioso y de los músculos o daño de órganos individuales, entre otras cosas. Las células nerviosas y musculares a menudo se ven afectadas primero, lo que se manifiesta en síntomas neurológicos y debilidad muscular.

En pequeña medida, el organismo puede compensar algunos trastornos de las quinasas o fosfatasas, ya que a veces hay varias formas de enviar una señal y, por lo tanto, el "punto defectuoso" en la cadena de señales puede evitarse. Entonces, por ejemplo, otra proteína reemplaza a la defectuosa. Una eficiencia reducida de las enzimas, por otro lado, puede compensarse simplemente aumentando la producción.

Las toxinas internas y externas, así como las mutaciones genéticas, son posibles causas de una deficiencia o mal funcionamiento de quinasas y fosfatasas.

Si tal mutación tiene lugar en el ADN de las mitocondrias, se producen efectos negativos sobre la fosforilación oxidativa y, por lo tanto, la síntesis de ATP, la principal tarea de estos orgánulos celulares. Una enfermedad mitocondrial de este tipo es, por ejemplo, LHON (neuropatía óptica hereditaria de Leber), en la que hay una pérdida rápida de la visión, a veces en combinación con arritmias cardíacas. Esta enfermedad se hereda por vía materna, es decir. exclusivamente de la madre, ya que solo su ADN mitocondrial se transmite al niño, pero no el del padre.