miniatura|Residu de serina fosforilat. En bioquímica, la fosforilació és l'addició d'un grup fosfat (PO₄3-) a una proteïna o qualsevol altra molècula, en general petita. El seu paper predominant en la bioquímica la converteix en un important objecte d'investigació (la base de dades de Medline retorna al voltant de 100.000 articles sobre el tema), sobretot en la fosforilació de proteïnes. És un dels principals partícips en els mecanismes de regulació de les proteïnes.
Fosforilació a nivell de substrat La fosforilació a nivell de substrat és el procés que dona nom a la formació d'ATP mitjançant una transferència de fosforil des de l'1,3-bisfosfoglicerat. Aquesta, és una molècula energèticament rica que té un potencial de transferència de fosforil més gran que l'ATP. Així doncs, l'1,3-BPG es pot utilitzar per a impulsar la síntesi d'ATP a partir d'ADP. Aquesta transferència del grup fosforil del fosfat d'acil de l'1,3-BPG a l'ADP és catalitzada per la fosfoglicerat-cinasa. S'obté ATP i 3-fosfoglicerat. Aquest tipus de fosforilació, s'anomena a nivell de substrat perquè el donador del fosfat, l'1,3-BPG, és un substrat amb un gran potencial de transferència de fosforil.Bioquímica : sexta edición / Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer.Barcelona.Reverté, cop. 2008.
Fosforilació oxidativa La fosforilació oxidativa és el procés mitjançant el qual es forma ATP com a resultat de la transferència d'electrons des del NADH o FADH₂ fins a l'O₂, per mitjà d'una sèrie de transportadors electrònics. Aquest procés té lloc als mitocondris en les cèl·lules eucariotes i és la principal font d'ATP en els organismes aeròbics. Aquesta, genera 26 molècules d'ATP que es formen quan la glucosa és totalment oxidada a CO₂ i H₂0. El NADH i el FADH₂ es formen en la glicòlisi, en l'oxidació dels àcids grassos i en el cicle de l'àcid cítric. Aquestes són molècules riques en energia i que contenen un parell d'electrons amb un potencial de transferència elevat. Si aquests electrons s'utilitzen per a reduir l'oxigen molecular a aigua en la fosforilació oxidativa, s'allibera energia que es pot usar per a generar ATP. El flux d'electrons de l'NADH o el FADH₂ a l'O₂, a través de complexos proteics que es troben a la membrana mitocondrial interna, permet el bombament de protons cap a l'exterior de la matriu mitocondrial. Aleshores, la distribució desigual de protons genera un gradient de pH i un potencial elèctric transmembrana que crea una força promotriu. Quan els protons tornen a la matriu mitocondrial, se sintetitza l'ATP. Així doncs, l'oxidació de combustibles i la fosforilació d'ADP s'acoblen mitjançant un gradient de protons a través de la membrana mitocondrial interna. La fosforilació oxidativa és la culminació d'una sèrie de transformacions energètiques que es denominen respiració cel·lular.Bioquímica : fundamentos para medicina y ciencias de la vida.Werner Müller-Esterl; con la colaboración de Ulrich Brandt ... [et al.].Barcelona.Reverté, cop. 2008 .
La fase final de la fosforilació oxidativa la duu a terme l'ATP sintasa, un complex sintetitzador d'ATP dirigit pel flux de protons que torna cap a l'interior de la matriu mitocondrial. La fosforilació oxidativa mostra clarament que els gradients de protons són una moneda intercanviable d'energia lliure en els sistemes biològics.
Fotofosforilació La fotofosforilació és la part final de la fotosíntesi, el procés que empren les cèl·lules vegetals per obtenir energia en forma d'ATP. Aquest es dona en la membrana tilacoidal dels cloroplasts. Emprant l'energia solar s'exciten els electrons de molècules d'aigua. Aquests electrons entren en una cadena de transport a través de diferents proteïnes transmembrana originant un gradient de protons entre l'interior i l'exterior del tilacoide. Aquest gradient troba una via de sortida a través de l'ATPsintasa i al circular per l'interior modifica la seva estructura, cosa que fa possible la fosforilació de l'ADP i l'obtenció d'ATP, font d'energia per a la cèl·lula.
Regulació enzimàtica La fosforilació com a mecanisme de regulació enzimàtica és bàsica a les cèl·lules eucariòtiques, ja que el 30% de les proteïnes d'aquestes són susceptibles de ser fosforilades. L'ATP és el principal donador de grups fosforils per a ser adherits a altres molècules. En les cèl·lules eucariòtiques l'acceptor és sempre un dels aminoàcids que contenen un hidroxil en la seva cadena lateral, és a dir, la serina, la treonina i la tirosina. Els dos primers són fosforilats mitjançant serina o treonina cinases i la tirosina mitjançant la tirosina-cinasa. Aquesta última, exclusiva dels organismes pluricel·lulars té funcions fonamentals en la regulació del creixement i sol estar alterada en les cèl·lules canceroses. La fosforilació, com s'ha descrit, és un important mecanisme de regulació enzimàtica perquè activa i desactiva proteïnes modificant la seva conformació espacial. Aquesta però, no es podria donar sense els enzims corresponents (les cinases), ja que la velocitat de reacció no catalitzada és negligible. Els enzims que inverteixen l'efecte de la fosforilació (tot i que no catalitzen reaccions inverses) són les fosfatases, i són igual d'importants. L'afinitat de les cinases per una proteïna pot variar: hi ha cinases específiques que només poden fosforilar una proteïna i d'altres multifuncionals que poden modificar proteïnes diferents. El grau d'afinitat ve donat per la seqüència d'aminoàcids que envolta el centre de fosforilació (la serina o la treonina), tot i que alguns residus allunyats poden intervenir en modificar l'estructura de la cinasa i, per tant, l'accés dels substrats al centre de fosforilació. Cal destacar que la fosforilació d'un enzim sempre comporta l'escissió d'un ATP, és a dir, l'alliberació de molta energia que s'aprofitarà després per a unir el grup fosforil a la proteïna, fent aquest procés irreversible (per això la defosforilació no pot ser el procés invers). A més com que l'ATP és la moneda energètica per excel·lència, la regulació enzimàtica queda connectada directament amb l'estat energètic de la cèl·lula. L'activació o desactivació de la proteïna fosforilada es deu principalment al canvi de conformació en aquesta que provoca l'addició del grup fosforil, que té dos càrregues negatives. A més aquest grup fosforil té oxígens que podran formar ponts d'hidrogen amb hidrògens d'altres molècules. Per acabar afegir que l'efecte de la fosforilació es pot amplificar molt en qüestió de segons i si la proteïna diana és un enzim, aquest pot transformar un gran nombre de molècules de substrat. Alguns exemples de regulació enzimàtica a través de la fosforilació es troben en processos com: el metabolisme dels àcids grassos, el cicle de Krebs, la quimiotaxi, etc.Bioquímica : fundamentos para medicina y ciencias de la vida.Werner Müller-Esterl; con la colaboración de Ulrich Brandt ... [et al.].Barcelona.Reverté, cop. 2008 .Bioquímica : sexta edición / Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer.Barcelona.Reverté, cop. 2008.
Metabolisme dels àcids grassos El metabolisme dels àcids grassos està estrictament controlat, de manera que la síntesi i la degradació obeeixen fidelment les necessitats fisiològiques. La síntesi dels àcids grassos és màxima quan els glúcids i l'energia són abundants i els àcids grassos escassos. L'acetil CoA-carboxilasa acompleix una funció essencial en la regulació de la síntesi i la degradació dels àcids grassos. Aquest enzim és el que catalitza el pas limitant en la síntesi dels àcids grassos: la producció de malonil CoA (el donador de la unitat de dos carbonis activats). Aquest enzim tan important està sotmès a la regulació local i també a l'hormonal. L'acetil CoA-carboxilasa respon a canvis en el seu entorn immediat. L'acetil CoA-carboxilasa s'inactiva per fosforilació i s'activa per desfosforilació (figura 1). Aleshores, la proteïna-cinasa dependent d'AMP (AMPK, ‘AMP-dependent protein Kinase') converteix la carboxilasa en una forma inactiva, mitjançant la modificació d'un residu de serina concret. L'AMPK és, bàsicament, un indicador del nivell de combustible. D'aquesta manera, la carboxilasa s'inactiva quan la càrrega energètica és baixa. La carboxilasa també és estimulada al·lostèricament per citrat. Aquest, facilita la polimerització dels dímers inactius en filaments actius. Aquesta polimerització pot revertir parcialment la inhibició produïda per fosforilació.
Quimiotaxi La quimiotaxi depèn d'una ruta de senyalització que finalitza en el motor flagel·lar. La ruta de senyalització comença amb la unió de molècules a receptors de la membrana plasmàtica. En la forma desocupada, aquests receptors inicien una ruta que finalment porta a la fosforilació d'un residu d'aspartat concret d'una proteïna soluble anomenada CheY. En la forma fosforilada, la CheY, s'uneix a la base del motor flagel·lar, el qual, una volta unit a la CheY fosforilada, gira en el sentit horari, en comptes de fer-ho en sentit antihorari, i ocasiona la vacil·lació. La unió d'un quimioatraient a un receptor de la superfície bloqueja la ruta de senyalització i porta a la fosforilació de la CheY. La CheY fosforilada s'hidrolitza espontàniament i s'allibera del seu grup fosfat en un procés que està accelerat per una altra proteïna, la CheZ. La concentració de CheY fosforilada disminueix, i els flagels són menys propensos a girar en el sentit horari. En aquestes condicions, els bacteris neden suaument sense vacil·lar. Per tant, el motor flagel·lar rotatori reversible i una ruta de senyalització basada en la fosforilació cooperen per a generar una manera efectiva de respondre a les condicions ambientals.Bioquímica : sexta edición / Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer.Barcelona.Reverté, cop. 2008.
Cicle de l'àcid cítric El cicle de l'àcid cítric és la ruta final habitual de l'oxidació aeròbica de les molècules de combustible. El paper que té la fosforilació en aquest procés és el següent: La descarboxilació oxidativa del piruvat a Acetil-CoA dirigeix els àtoms de carboni de la glucosa a dues destinacions principals: a l'oxidació a CO₂ mitjançant el cicle de l'àcid cítric, amb la generació al mateix temps d'energia o a la incorporació als lípids. L'activitat del complex de la piruvat-deshidrogenasa està estrictament controlat. El mecanisme clau de regulació del complex en eucariotes és, doncs, la modificació covalent. La fosforilació del component piruvat-deshidrogenasa per una cinasa específica desactiva el complex, que es torna a activar per l'acció d'una fosfatasa específica.
Regulació del colesterol El colesterol es pot obtenir de l'alimentació però també es pot sintetitzar a l'organisme a determinats òrgans. La velocitat de formació de colesterol en aquests òrgans respon en gran manera al nivell cel·lular de colesterol. Aquest procés està regulat bàsicament per canvis en la quantitat i en l'activitat de la 3-hidroxi-3-metilglutaril CoA-reductasa (HMG CoA- reductasa), enzim que catalitza la formació de mevalonat, el pas limitant en la biosíntesi del colesterol. La HMG CoA-reductasa es controla de moltes maneres i una d'aquestes és mitjançant la fosforilació. La fosforilació disminueix l'activitat de la reductasa. Aquest enzim, igual que l'acetil CoA-carboxilasa (que catalitza el pas limitant de la síntesi dels àcids grassos), és desactivat per una proteïna-cinasa activada per AMP. Així doncs, quan el nivell d'ATP és baix, la síntesi de colesterol s'atura.
Síntesi de bases púriques Per a sintetitzar l'anell de purina, són necessàries diverses etapes. Les sis primeres consisteixen en reaccions anàlogues. Els enzims amb dominis agafadors d'ATP homòlegs dels de la fosfat de carbamoïl – sintasa catalitzen la major part d'aquestes etapes. Cada etapa consisteix en l'activació per fosforilació d'un àtom d'oxigen unit a carboni (habitualment un àtom d'oxigen carbonílic), seguida pel desplaçament d'un grup fosforil per amoníac o per un grup amino, que actuen com a nucleòfils (Nu).