Fosforilasyon bir fosforil grubunun organik bir moleküle bağlanmasıdır ve bir fosforil grubunun çıkarılmasına defosforilasyon denir. Hem fosforilasyon hem de fosforilasyon enzimler (örn. Kinazlar, fosfotransferazlar) tarafından gerçekleştirilir. Fosforilasyon, moleküler ve biyokimya biliminde önemlidir, çünkü enzim ile protein fonksiyonu, enerji depolama, şeker metabolizması ve salımında önemli bir tepkimedir.
Esas olarak serin, treonin veya tirozin kalıntıları üzerinde geri dönüşümlü protein fosforilasyonu, en önemli ve iyi çalışılmış translasyon sonrası değişikliklerden biridir. Fosforilasyon, hücre döngüsü, büyüme, apoptoz ve sinyal iletim yolları dâhil birçok hücresel işlemin düzenlenmesinde kritik roller oynamaktadır.
Fosforilasyon mekanizması hücre boyunca sinyalleri ileten ve aynı zamanda protein fonksiyonunu düzenleyen en bilinen mekanizmadır. Bakteriyel proteinlerde fosforilasyon gözlenirken, ökaryotik hücrelerde önemli ölçüde daha yaygındır. İnsan proteomundaki proteinlerin üçte birinin bir noktada fosforilasyon için substratlar olduğu tahmin edilmektedir. Gerçekten de fosfoproteomik, yalnızca fosforile proteinlerin tanımlanması ve karakterizasyonu üzerinde odaklanan bir proteomik dalı olarak kurulmuştur.
Fosforilasyon Mekanizması
Fosforilasyon, protein fonksiyonunu düzenlemek için yaygın bir translasyon sonrası modifikasyon (PTM) olsa da, ökaryotik hücrelerde sadece üç amino asit, serin(ser’in), treonin ve tirozin yan zincirlerinde meydana gelir. Bu amino asitler bir nükleofilik (-OH) grubu olduğu saldırılar uç fosfat grubu (PO 3 2- evrensel fosforil verici adenozin trifosfat (ATP) üzerine), amino asit yan zincirine fosfat grubunun transferi ile sonuçlanmaktadır. Bu transfer magnezyum (Mg 2+) ile kolaylaştırılır. Nükleofilik (-OH) grubuna fosforil aktarım eşiğini düşürmek için ve fosfat gruplarını şelatlamaktadır. Bu reaksiyon, ATP’deki fosfat-fosfat bağı adenosin difosfat (ADP) oluşturmak için kırıldığında serbest kalan büyük miktarda serbest enerji nedeniyle tek yönlüdür.
Serin fosforilasyon diyagramı, serin üzerinde (-OH) grubundan enzim katalizli proton transferi ATP üzerindeki p-fosfat grubunun nükleofilik saldırısını uyarır, bu da fosfat grubunun serin içine fosfoserin ve ADP oluşturmak üzere aktarılmasına neden olur ve (—B :) proton transferini başlatan enzim bazını göstermektedir. Büyük bir protein alt kümesi için, fosforilasyon protein aktivitesi ile sıkı bir şekilde ilişkilidir ve protein fonksiyon düzenlemesinin kilit noktasıdır. Fosforilasyon, fosforile proteinde konformasyonel değişikliklere sebep olarak hücre sinyalini ve protein fonksiyonunu düzenlemektedir. Bu değişiklikler proteini iki şekilde etkileyebilir.
İlk olarak, konformasyonel değişiklikler proteinin katalitik aktivitesini düzenler. Böylece, bir protein fosforilasyon ile aktive edilebilir veya inaktive edilebilir. İkincisi, fosforile proteinler, fosfomotifleri tanıyan ve bunlara bağlanan yapısal olarak korunmuş alanlara sahip komşu proteinleri toplar. Bu alanlar, farklı amino asitler için özgüllük gösterir. Örneğin, Src homolojisi 2 (SH2) ve fosfotirozin bağlanma (PTB) alanları fosfotirozin (pY) için özgüllük gösterir, bununla birlikte bu iki yapıdaki farklılıklar farklı fosfotirozin motifleri için her bir alan spesifikliğini vermektedir. Fosfoserin (pS) tanıma alanları arasında MH2 ve WW alanı bulunurken fosfotreonin (pT) çatal başı ile ilişkili (FHA) alanlar tarafından tanınır. Fosfo proteinlerin diğer proteinleri toplayabilmesi, akış aşağı efektör proteinlerinin fosforile sinyal proteinlerine alındığı sinyal iletimi için kritiktir.
Protein fosforilasyonu, sırasıyla fosforilat ve fosforilat substratlan olan kinazlar ve fosfatazların aracılık ettiği geri dönüşümlü bir PTM’dir. Bu iki enzim ailesi, bir hücredeki fosforile proteinlerin dinamik doğasını kolaylaştırır. Aslında, belirli bir hücredeki fosfoproteomun boyutu, hücredeki kinaz ve fosfataz konsantrasyonlarının zamansal ve uzamsal dengesine ve belirli bir fosforilasyon bölgesinin katalitik etkinliğine bağlıdır.
Fosforilasyonun Amaçları
Fosforilasyon, hücrelerde kritik bir düzenleyici rol oynamaktadır. İşlevleri şunları içerir:
• Glikoliz için önemli
• Protein-protein etkileşimi için kullanılır
• Protein yıkımında kullanılır
• Enzim inhibisyonunu düzenler
• Enerji ihtiyacı olan kimyasal reaksiyonların düzenlemesini yaparak homeostazı korur.
Fosforilasyon Çeşitleri
Birçok molekül tipi ve fosforilasyona maruz kalabilir. En önemli fosforilasyon türlerinden üç tanesi protein fosforilasyonu, oksidatif fosforilasyonu ve glikoz fosforilasyondur.
Glikoz Fosforilasyonu
Glikoz ve diğer şekerler genellikle katabolizmalarının ilk adımı olarak fosforile edilir. Örneğin, D-glikozun glikolizinin ilk adımı, D-glikoz-6-fosfata dönüştürülmesidir. Glikoz, hücrelere kolayca nüfuz eden küçük bir moleküldür. Fosforilasyon, dokuya kolayca nüfus edemeyen daha büyük bir molekül oluşturmaktadır. Bu nedenle, fosforilasyon kan şekeri konsantrasyonunu düzenlemek için önemlidir ve glikoz konsantrasyonu da doğrudan glikojen oluşumu ile ilişkilidir. Ayrıca glikoz fosforilasyonu kalp büyümesi ile de ilişkilidir.
Protein Fosforilasyonu
Rockefeller Tıbbi Araştırma Enstitüsü’nden Phoebus Levene, 1906’da fosforile edilmiş bir proteini (fosvitin) tanımlayan ilk kişidir. 930’lara kadar proteinlerin enzimatik fosforilasyonu tanımı yapılamamıştır. Protein fosforilasyonu, fosforil grubu bir amino aside eklendiğin de ortaya çıkmaktadır. Genellikle amino asit serindir, ancak ökaryotlarda treonin ve tirozin ve prokaryotlarda histidin üzerinde fosforilasyon da meydana gelir.
Bu, bir fosfat grubunun bir yeni, treonin veya tirozin yan zincirinin hidroksil (-OH) grubu ile reaksiyona girdiği bir esterleştirme reaksiyonudur. Enzim protein kinazı, bir fosfat grubunu amino aside kovalent olarak bağlamaktadır. Kesin mekanizma prokaryotlar ve ökaryotlar arasında biraz farklılık gösterir. En iyi çalışılan fosforilasyon formları posttranslasyonel modifikasyonlardır (PTM), yani proteinler bir RNA şablonundan translasyondan sonra fosforile edilir. Ters reaksiyon, fosforilasyon, protein fosfatazlar tarafından katalize edilir.
Protein fosforilasyonunun önemli bir örneği, histonların fosforilasyonudur. Ökaryotlarda DNA, kromatin oluşturmak için histon proteinleri ile ilişkilidir. Histon fosforilasyonu, kromatinin yapısını değiştirir ve protein-protein ve DNA-protein etkileşimlerini değiştirir. Genellikle, DNA hasar gördüğünde fosforilasyon meydana gelir ve kırık DNA çevresinde boşluk açar, böylece onarım mekanizmaları işlerini yapabilir. DNA onarımındaki önemine ek olarak, protein fosforilasyonu metabolizma ve sinyal yollarında önemli bir rol oynamaktadır.
Oksidatif fosforilasyon
Oksidatif fosforilasyon, bir hücrenin kimyasal enerjiyi depolaması ve serbest bırakmasıdır. Ökaryotik bir hücrede, reaksiyonlar mitokondri içinde meydana gelir. Oksidatif fosforilasyon, kemiyozmozun reaksiyonlarından ve elektron taşıma zincirnden oluşmaktadır. Özetle, redoks reaksiyonu, mitokondrinin iç zarındaki elektron taşıma zinciri boyunca proteinlerden ve diğer moleküllerden elektronları geçerek kemosmozda adenozin trifosfat (ATP) yapmak için kullanılan enerjiyi serbest bırakmaktadır.
Bu işlemde, NADH ve FADH 2 elektronları elektron taşıma zincirine iletir. Elektronlar zincir boyunca ilerledikçe daha yüksek enerjiden daha düşük enerjiye geçerek yol boyunca enerji salarlar. Bu enerjinin bir kısmı, elektrokimyasal bir gradyan oluşturmak için hidrojen iyonlarını (H + ) pompalamaya gider. Zincirin sonunda, elektronlar su oluşturmak için H + ile bağlanan oksijene aktarılırlar. H + iyonları ATP sentez için enerji salmaktadır ve ATP fosforilatlandığında, fosfat grubunun ayrılması, hücrenin kullanabileceği bir formda enerji salmaktadır. Adenosin, ATP, AMP ve ADP’yi oluşturmada fosforilasyon olan tek baz değildir. Örneğin, guanozin GMP, GDP ve GTP de oluşturabilir.
Fosforilasyonun Tespiti
Bir molekülün fosforile edilip edilmediği antikorlar, elektroforez veya kütle spektrometrisi kullanılarak tespit edilebilir. Bununla birlikte, fosforilasyon bölgelerinin tanımlanması ve karakterizasyonu zordur. İzotop etiketleme sıklıkla floresan, elektroforez ve immünoanalizlerle birlikte kullanılır.
Fosforilasyonun genel olarak biyolojik süreçler üzerindeki etkisi nedeniyle, protein fosforilasyonunun insan hastalığı bağlamındaki biyolojik rolünün anlaşılmasına büyük önem verilmiştir. Küçük ölçekli protein fosforilasyonu, az sayıda proteinin aktivitesini incelemek için yaygın olarak yapılırken, fosfoproteomik analizler, tüm protein ailelerinin küresel fosforilasyon dinamiklerini anlamak için giderek daha fazla kullanılmaktadır. Protein fosforilasyonunu incelemek için mevcut yaklaşımlar arasında immünodeteksiyon, fosfoprotein veya fosfopeptit zenginleştirme, kinaz aktivite analizleri ve kütle spektrometrisi bulunur. Fosfatazların fosforile proteinlerin tespiti üzerindeki zararlı etkisi nedeniyle, geniş spektrumlu fosfataz inhibitörleri, birçok fosfodeteksiyon stratejisinde hücre lizatlarına yaygın olarak eklenir.
Kaynakça:
https://www.thermofisher.com/tr/en/home/life-science/protein-biology/protein-biology-learning-center/protein-biology-resource-library/pierce-protein
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu