Proteine sind zelluläre Arbeitspferde. Als Enzyme katalysieren sie biochemische Reaktionen. Proteine fungieren auch als Rezeptoren, die mit anderen Substanzen binden und die Zellaktivität kontrollieren. Als Teil eines Hormons können Proteine wichtige zelluläre Aktivitäten wie die Sekretion initiieren oder unterdrücken. Eine Zelle verwendet die Phosphorylierung als Schalter, um die Proteinaktivität ein- oder auszuschalten.
Phosphate und Proteine
Proteine sind Moleküle mit einem Aminosäurerückgrat und normalerweise einer oder mehreren Seitengruppen. Die elektrischen Kräfte auf die Atome eines Proteins verleihen ihm eine dreidimensionale Form oder Konformation, die komplexe Falten und Ringe umfassen kann. Phosphorylierung ist eine chemische Reaktion, bei der einem organischen Molekül wie einem Protein eine Phosphatgruppe hinzugefügt wird, die aus einem Phosphoratom und vier Sauerstoffatomen besteht. Phosphat hat eine negative elektrische Ladung. Die Phosphorylierung verändert die Konformation eines Proteins. Der Prozess ist normalerweise reversibel; ein Protein kann phosphoryliert oder dephosphoryliert werden, analog zum Flippen eines Computerbits zwischen null und eins.
Mechanismus
Nur wenige Aminosäuren können eine Phosphatgruppe aufnehmen. Die starke negative Ladung einer Phosphatgruppe verändert die Form eines Proteins und seine Wechselwirkung mit Wasser. Ein Protein, das normalerweise nicht mit Wasser interagiert, wird hydrophil und wasserfreundlich, wenn es phosphoryliert wird. Diese Änderung führt zu Veränderungen der physikalischen und biochemischen Eigenschaften eines Proteins. Eine Kinase ist eine Art Enzym, das ein Phosphat von einem hochenergetischen Molekül auf eine andere Substanz, beispielsweise ein Protein, überträgt. Wissenschaftler haben Hunderte von Kinasen identifiziert, die Phosphate auf bestimmte Proteine übertragen.
Enzymaktivität
Die durch die Addition einer oder mehrerer Phosphatgruppen verursachte Konformationsänderung eines Enzyms kann das Enzym aktivieren oder hemmen. Beispielsweise verändert die Phosphorylierung des Enzyms Glykogensynthetase die Form des Enzyms und verringert seine Aktivität. Das Enzym katalysiert die Umwandlung des kleinen Zuckers Glucose in das langkettige Stärkeglykogen. Das Phosphorylierungsmittel ist die Glykogensynthetase-Kinase 3 oder GSK-3, die eine Phosphatgruppe an die Aminosäuren Serin und Threonin anfügen kann. In diesem Beispiel fügt GSK-3 Phosphatgruppen an die letzten drei Serinaminosäuren der Glykogensynthetase hinzu, wodurch es für das Enzym schwierig wird, mit Glukose zu interagieren.
Rezeptoren
Rezeptoren sind Proteine innerhalb einer Zelle, die auf Signale von außerhalb der Zelle reagieren. Phosphorylierung kann Rezeptoren hemmen oder aktivieren. Östrogenrezeptor alpha oder ERA ist beispielsweise ein Protein, das aktiviert wird, wenn das Hormon Östrogen in die Zelle eindringt. ERA ist ein Transkriptionsfaktor – aktiviertes ERA kann an DNA oder Desoxyribonukleinsäure in Chromosomen binden und beeinflussen, ob bestimmte Gene als Proteine exprimiert werden. ERA kann jedoch nur an DNA binden, wenn es zuerst phosphoryliert wird. Sobald ERA aktiviert und phosphoryliert wurde, kann es die DNA-Transkription verbessern und so die Produktion bestimmter Proteine stimulieren.