Phosphorylierungsstellen sind bestimmte Bereiche von Molekülen, an denen eine Phosphatgruppe, bekannt als PO4, hinzugefügt oder entfernt wird. Sie sind besonders wichtig für die Regulation von Proteinen in der Zelle. Die Phosphorylierung kann das Protein aktivieren oder deaktivieren und ist ein wichtiger Weg zur Regulierung von Signalwegen in der Zelle. Ein einzelnes Protein kann viele Phosphorylierungsstellen haben, und jede einzelne Zelle kann Tausende davon haben. Einige Ergebnisse einer fehlgeschlagenen Phosphorylierung können Krebs und Diabetes umfassen.
Zu den Proteinen, die phosphoryliert werden können, gehören Proteinenzyme, die die Reaktionsgeschwindigkeit stark beschleunigen. Die Phosphorylierung eines Proteins kann seine Funktion oder Lokalisation in der Zelle verändern. Einzelne Enzyme unterscheiden sich darin, ob ihre aktive Form die Phosphorylierungsstelle phosphoryliert oder leer hat.
Rezeptoren sind auch wichtige Stellen der Phosphorylierung. Diese übertragen Signale, und Signalübertragungswege werden oft durch Phosphorylierungsstellen reguliert. Einer der Faktoren, der sie für die Regulierung vorteilhaft macht, ist, dass der Zeitpunkt der Signalreaktionen von Stunden bis zu weniger als einer Sekunde variieren kann. Die Phosphorylierungswege können sehr komplex sein, wobei eine Reihe von Proteinen sequentiell das nächste phosphoryliert. Dies führt zu einer Verstärkung eines Weges.
Ein Protein, das ein Phosphat hinzufügt, wird Kinase genannt. Diese regulieren eine Vielzahl von Reaktionen innerhalb der Zelle. Proteine, die eine Phosphorylgruppe entfernen, werden Phosphatasen genannt.
Kinasen erhalten die Phosphatgruppe aus Adenosintriphosphat (ATP). Sie fügen die Phosphatgruppe einer von drei Aminosäuren hinzu – Serin, Threonin oder Tyrosin. Andere können auf alle drei oder sogar auf zusätzliche Aminosäuren wie Histidin wirken. Einige Kinasen haben mehrere Spezifitäten und können auf mehr als ein Ziel wirken. Diese breite Zielspezifität ermöglicht die koordinierte Regulierung mehrerer Signalwege durch ein Signal.
Eine sehr wichtige Untergruppe von Kinasen sind die Serin/Threonin-Proteinkinasen. Ihre Phosphorylierungsstelle ist die OH-Gruppe von Serin oder Threonin. Die Phosphorylierung durch diese Kinasen kann durch chemische Signale sowie durch Ereignisse wie DNA-Schäden reguliert werden. MAP-Kinasen sind eine gut untersuchte Gruppe dieser Art, und eine Untergruppe von MAP-Kinasen wird als extrazelluläre signalregulierte Kinasen (ERK) bezeichnet.
Die ERK-Phosphorylierung wird häufig als intrazellulärer Signalmechanismus exprimiert. Wichtig an diesen ERK-Kinasen ist, dass sie extrazelluläre Signale übertragen und im Zellinneren verstärken. Der Signalweg wird durch viele verschiedene extrazelluläre Faktoren aktiviert, darunter Wachstumsfaktoren, Hormone und Karzinogene. Der ERK-Signalweg ist bei vielen Krebsarten gestört.
Die Proteinphosphorylierung und insbesondere die Lage von Phosphorylierungsstellen ist ein sehr aktives Forschungsgebiet. Bis zur Hälfte der Proteine in einer Zelle können phosphoryliert werden. Verschiedene Firmen sind darauf spezialisiert, vorherzusagen, welche Bereiche eines Proteins phosphoryliert werden können.
Der Proteinphosphorylierungsassay verwendet im Allgemeinen Antikörper. Dies sind Proteine, die vom Immunsystem eines Tieres produziert werden und spezifisch für fremde Eindringlinge sind. Es gibt Hunderte von Antikörpern, die spezifisch für durch Phosphorylierung induzierte strukturelle Veränderungen sind. Proteine werden auf einem Gel laufen gelassen, das nach Größe und Ladung getrennt ist und als 2-dimensionale Elektrophorese bekannt ist. Es wird dann mit dem phosphospezifischen Antikörper behandelt, um Unterschiede in der Struktur zu bestimmen.
Es sollte beachtet werden, dass auch andere Arten von Molekülen phosphoryliert werden können. Beispielsweise ist die Phosphorylierung von Zuckern ein wichtiger Bestandteil des Zellstoffwechsels. Der energieerzeugende Stoffwechselweg Glykolyse ist ein solches Beispiel. Der erste Schritt beim Abbau von Glucose ist die Phosphorylierung einer OH-Gruppe am Glucosemolekül.
Die Phosphorylierung von Adenosindiphosphat (ADP) zu ATP ist für viele der energieintensiven Reaktionen der Zelle unerlässlich. ATP ist ein energiereiches Molekül und gibt Energie ab, wenn es eine Phosphatgruppe spendet. Die Proteinsynthese gehört zu den vielen wichtigen zellulären Prozessen, die durch ATP angetrieben werden.