Phosphorylierung

Unter Phosphorylierung versteht man in der Biochemie die reversible Einführung einer oder mehrerer Phosphorylgruppe in organische Moleküle oder Makromoleküle (z.B. in Proteine oder Nukleinsäuren) unter der katalytischen Wirkung von Enzymen (meist Kinasen; Proteinkinasen). Chemisch handelt es sich bei diesem Prozess um die Bildung eines Phosphorsäureesters.

Häufig erfolgen Phosphorylierungen durch Übertragung von Phosphatresten energiereicher Phosphate  (Adenosintriphosphat, Phosphoenolpyruvat, Kreatinphosphat u.a.) auf die entsprechenden Moleküle. Das Resultat wird als "Phosphoprotein" bezeichnet.

Diese Form der Phosphorylierung stellt (neben der allosterischen und der kompetitiven Hemmung) die wichtigste Regulation von biologischen Prozessen in der Zelle dar.

Die Bildung von ATP in der Atmungskette erfolgt aus ADP (Adenosin-5'-diphosphat) durch die sog. Atmungskettenphosphorylierung (oxidative Phosphorylierung), bei der Photosynthese durch Photophosphorylierung.

Phosphorylierung von Proteinen:  Hierbei wird eine Phosphatgruppe enzymatisch an einen Aminosäurerest gebunden, wobei hauptsächlich ATP als Substrat für das Phosphat dient. Die verantwortliche Enzyme werden als Kinasen bezeichnet. Eine andere Enzymgruppe, die Phosphatasen, können diesen Prozess umkehren, d.h. die Phosphatgruppe wird wieder vom phosphorylierten Protein enzymatisch abgespalten. Proteinkinasen und Proteinphosphatasen sind dabei in der Regel sehr spezifisch. Sie können in ihrer Aktivität gezielt kontrolliert werden.

Funktion​: Phosphatgruppen besitzen eine polare Ladung. Die enzymatische Übertragung einer Phosphatgruppe auf ein Molekül durch Kinasen hat meistens eine Konformationsänderungen des Proteins zur Folge meist verbunden mit einer Funktionsänderung. So kann die Phosophorylierung zu einer Aktivierung eines Proteins führen. Viele Transkriptionsfaktoren werden auf diesem Weg über Signaltransduktionskaskaden aktiviert. Eine weitere Form der Einflussnahme durch Phosphorylierung ist die Kontrolle von Proteinbindestellen. Insbesondere Proteindomänen, die diese Interaktionen vermitteln, werden phosphoryliert und können so keine Proteinkomplexe mehr bilden. Viele Rezeptoren, wie G-Protein gekoppelte Rezeptoren, werden auf diesem Weg in ihrer Aktivität reguliert. Proteinphosphorylierung und Dephosphorylierung haben somit regulatorische Funktion.

Ort der Phosphorylierung​: Bei Proteinen werden v.a. drei Aminosäuren phosphoryliert, und zwar solche mit einer Hydroxygruppe in der Seitenkette. Die betreffende Kinase wird nach ihrem Substrat bezeichnet, z.B. Tyrosinkinase, Serinkinase u.a.

• Tyrosin: Tyrosinkinasen binden somit die Phosphatgruppe an Tyrosin
• Serin/Threonin: Serin/Threoninkinasen binden die Phosphatgruppe an Serin oder Threonin. Dabei ist Serin die am häufigsten phosphorylierte Aminosäure (Verhältnis der Phosphorylierungshäufigkeit von Serin: Threonin:Tyrosin = 1800 : 200 : 1).
• Sehr selten werden die Aminosäuren Histidin, Arginin, Lysin, Cystein, Glutamat und Aspartat phosphoryliert.

Phosphorylierung anderer Moleküle​: Werden andere Moleküle (Zucker, Nucleotide) phosphoryliert, so dient dies in der Regel der Bereitstellung chemischer Energie im Molekül, um in nachfolgenden Schritten energieverbrauchende Umwandlungen zu ermöglichen.

Polyphosphate wie ATP oder Kreatinphosphat dienen im Stoffwechsel als universelle „Energiewährung“ zur Zwischenspeicherung und zum Austausch von Energie zwischen verschiedenen Prozessen.