Phosphorylation

le Phosphorylation est un processus fondamental de biochimie qui a lieu non seulement dans l'organisme humain, mais dans tous les êtres vivants avec un noyau cellulaire et des bactéries. C'est un élément indispensable de la transduction du signal intracellulaire et un moyen important de contrôler le comportement cellulaire. La plupart du temps, les composants des protéines sont phosphorylés, mais d'autres molécules comme le sucre peuvent également servir de substrats. D'un point de vue chimique, la phosphorylation des protéines crée une liaison ester d'acide phosphorique.

Qu'est-ce que la phosphorylation?

Le terme phosphorylation décrit le transfert de groupes phosphate vers des molécules organiques - ce sont principalement les résidus d'acides aminés qui composent les protéines. Les phosphates ont une structure tétraédrique composée d'un atome central de phosphore et de quatre atomes d'oxygène environnants liés de manière covalente.

Les groupes phosphates ont une double charge négative. Ils sont transférés à une molécule organique par des enzymes spécifiques, appelées kinases. Avec la consommation d'énergie, ceux-ci lient généralement le résidu phosphate à un groupe hydroxyle d'une protéine, de sorte qu'un ester d'acide phosphorique se forme. Cependant, ce processus est réversible, c'est-à-dire il peut être inversé, encore une fois par certaines enzymes. De telles enzymes qui séparent les groupes phosphate sont généralement appelées phosphatases.

Les kinases et les phosphatases représentent chacune leur propre classe d'enzymes, qui peut être subdivisée en sous-classes supplémentaires selon divers critères tels que le type de substrat ou le mécanisme d'activation.

Fonction et tâche

Un rôle crucial des phosphates, en particulier des polyphosphates, dans l'organisme est l'apport d'énergie. L'exemple le plus frappant en est l'ATP (adénosine triphosphate), qui est le principal vecteur d'énergie du corps. Le stockage d'énergie dans l'organisme humain passe donc généralement par la synthèse d'ATP.

Pour ce faire, un résidu phosphate doit être transféré sur une molécule d'ADP (adénosine diphosphate) afin que sa chaîne de groupes phosphate, qui sont liés par des liaisons anhydride phosphorique, soit étendue. La molécule résultante est appelée ATP (adénosine triphosphate). L'énergie ainsi stockée est obtenue à partir du nouveau clivage de la liaison, laissant ADP derrière. Un autre phosphate peut également être séparé, de sorte que l'AMP (adénosine monophosphate) se forme. Chaque fois qu'un phosphate est séparé, la cellule dispose de plus de 30 kJ par mole.

Le sucre est également phosphorylé au cours du métabolisme des glucides humains pour des raisons énergétiques. On parle aussi de "phase de collecte" et de "phase de récupération" de la glycolyse, car de l'énergie sous forme de groupements phosphate doit d'abord être investie dans les matières premières pour obtenir de l'ATP plus tard. De plus, le glucose, par exemple sous forme de glucose-6-phosphate, ne peut plus diffuser librement à travers la membrane cellulaire et est donc fixé à l'intérieur de la cellule, où il est nécessaire pour d'autres étapes métaboliques importantes.

De plus, les phosphorylations et leurs réactions inverses, en plus de l'inhibition allostérique et compétitive, représentent les mécanismes décisifs de régulation de l'activité cellulaire Dans la plupart des cas, les protéines sont phosphorylées ou déphosphorylées. Les acides aminés sérine, thréonine et tyrosine contenus dans les protéines sont modifiés le plus fréquemment, la sérine étant impliquée dans l'écrasante majorité des phosphorylations. Dans le cas des protéines à activité enzymatique, les deux processus peuvent conduire à l'activation ainsi qu'à l'inactivation, selon la structure de la molécule.

Alternativement, la (dé) phosphorylation en transférant ou en supprimant une double charge négative peut également conduire à un changement de conformation de la protéine de telle sorte que certaines autres molécules peuvent se lier aux domaines protéiques affectés ou tout simplement plus. Un exemple de ce mécanisme est la classe des récepteurs couplés aux protéines G.

Les deux mécanismes jouent un rôle exceptionnel dans la transmission des signaux au sein de la cellule et dans la régulation du métabolisme cellulaire. Ils peuvent influencer le comportement d'une cellule soit directement via l'activité enzymatique, soit indirectement via une transcription et une traduction modifiées de l'ADN.

Maladies et affections

Aussi universelles et fondamentales que les fonctions des phosphorylations, les conséquences si ce mécanisme réactionnel est perturbé sont tout aussi variées. Un défaut ou une inhibition de la phosphorylation, généralement déclenchée par un manque de protéines kinases ou leur carence, peut entraîner des maladies métaboliques, des maladies du système nerveux et des muscles ou des lésions d'organes individuels. Les cellules nerveuses et musculaires sont souvent affectées en premier, ce qui se manifeste par des symptômes neurologiques et une faiblesse musculaire.

Dans une faible mesure, certains troubles des kinases ou phosphatases peuvent être compensés par le corps, car il y a parfois plusieurs manières de transmettre un signal et ainsi le "point défectueux" dans la chaîne de signal peut être contourné. Ensuite, par exemple, une autre protéine remplace la protéine défectueuse. Une efficacité réduite des enzymes, par contre, peut être compensée en augmentant simplement la production.

Les toxines internes et externes ainsi que les mutations génétiques sont des causes possibles d'une carence ou d'un dysfonctionnement des kinases et phosphatases.

Si une telle mutation a lieu dans l'ADN des mitochondries, il y a des effets négatifs sur la phosphorylation oxydative et donc la synthèse de l'ATP, tâche principale de ces organites cellulaires. Une telle maladie mitochondriale est, par exemple, la LHON (neuropathie optique héréditaire de Leber), dans laquelle il existe une perte rapide de la vision, parfois associée à des arythmies cardiaques. Cette maladie est héréditaire maternel, c.-à-d. exclusivement de la mère, puisque seul son ADN mitochondrial est transmis à l'enfant, mais pas celui du père.