Phosphorylierung ist ein chemischer Prozess, bei dem eine Phosphatgruppe (PO43-) an eine Verbindung angefügt wird. Es gilt normalerweise für die organische Chemie und ist für alle lebenden Organismen von entscheidender Bedeutung. Der Prozess ist an der Proteinsynthese und an der Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) beteiligt – einem Molekül, das Energie speichert und liefert. Es spielt auch eine entscheidende Rolle bei verschiedenen chemischen Signal- und Regulationsmechanismen innerhalb der Zelle, indem es die Struktur verschiedener Proteine modifiziert und ihre Aktivitäten verändert.
Normalerweise wird für die biochemischen Reaktionen, bei denen eine Phosphatgruppe an ein Molekül hinzugefügt wird, Energie benötigt. Oft kommt diese Energie von ATP-Molekülen. ATP enthält drei Phosphatgruppen, von denen eine leicht entfernt werden kann. Die Entfernung dieser Gruppe setzt beträchtliche Energie frei, die verwendet werden kann, um eine Phosphorylierungsreaktion zu ermöglichen, bei der die Phosphatgruppe an ein anderes Molekül – zum Beispiel Glucose – angefügt wird. Somit können Phosphatgruppen leicht von ATP auf andere Moleküle übertragen werden.
Diese Reaktionen erfordern jedoch, dass ATP und das Rezeptormolekül zusammengebracht werden, damit der Transfer stattfinden kann. Dies wird durch Enzyme erreicht, die als Kinasen bekannt sind. Dies sind große, komplexe Proteine, die mehrere hundert Aminosäuren enthalten können. Die Form des Enzyms ist entscheidend: Die Struktur eines Kinaseenzyms ist so, dass sowohl das ATP als auch das Rezeptormolekül in unmittelbarer Nähe untergebracht werden können, damit die Reaktion ablaufen kann. Ein Beispiel ist die Glycerinkinase, die die Übertragung einer Phosphatgruppe von ATP auf Glycerin erleichtert; Dies ist Teil des Prozesses, der Phospholipide produziert, die in Zellmembranen verwendet werden.
ATP wird selbst durch einen bekannten Phosphorylierungsprozess namens oxidative Phosphorylierung hergestellt, bei dem eine Phosphatgruppe an Adenosindiphosphat (ADP) angefügt wird, um ATP zu produzieren. Die Energie für diesen Prozess kommt letztendlich aus der Nahrung, die wir zu uns nehmen, genauer gesagt aus der Oxidation von Glukose. Es ist ein sehr komplexer Prozess mit vielen Schritten, aber in einfachen Worten wird die Energie aus Glukose verwendet, um zwei Verbindungen, bekannt als NADH und FADH2, zu bilden, die die Energie für den Rest der Reaktion liefern. Die Verbindungen sind Reduktionsmittel, die sich leicht von Elektronen trennen, damit sie oxidiert werden können. Phosphatgruppen werden ATP-Molekülen unter Verwendung der Energie hinzugefügt, die durch die Oxidation von NADH und FADH2 freigesetzt wird; diese Reaktion wird durch das Enzym ATP-Synthetase erleichtert.
Viele verschiedene Kinasen kommen sowohl in Pflanzen als auch in Tieren vor. Aufgrund ihrer Bedeutung in so vielen zellulären Prozessen hat sich ein Phosphorylierungsassay zu einem gebräuchlichen Laborverfahren entwickelt. Dabei werden Proben von Zellmaterial getestet, um zu überprüfen, ob eine Proteinphosphorylierung stattgefunden hat, und in einigen Fällen deren Ausmaß gemessen. Es gibt eine Reihe verschiedener Methoden, die verwendet werden, um die Phosphorylierung zu überprüfen, einschließlich der Markierung von Phosphatgruppen mit Radioisotopen, der Verwendung von Antikörpern, die für das phosphorylierte Protein spezifisch sind, und Massenspektrometrie.
Seit 2011 sind zusätzliche signalregulierte Kinasen (ERKs) – Enzyme, die an Signalaktivitäten innerhalb der Zelle beteiligt sind – von besonderem Interesse. Die ERK-Phosphorylierung spielt eine Rolle bei der Regulierung verschiedener Zellfunktionen, einschließlich der Mitose und anderer Prozesse im Zusammenhang mit der Zellteilung. Dieser Prozess ist für einige Bereiche der Krebsforschung relevant, da er durch krebserregende Stoffe und Virusinfektionen aktiviert werden kann, was zu unkontrollierter Zellteilung und anderen krebsbedingten Wirkungen führt. Es wird an möglichen Krebsbehandlungen geforscht, die diesen Prozess hemmen. Ein Phosphorylierungsassay kann verwendet werden, um verschiedene Substanzen auf ihre Wirksamkeit in dieser Funktion zu testen.