Phosphorylierungen

Phosphorylierungen sind chemische Modifikationen, bei denen eine Phosphatgruppe auf ein Molekül übertragen wird. Im Biologischen sind sie vor allem bei Proteinen bedeutsam: Proteinkinasen verwenden ATP als Phosphatdonor, um Serin-, Threonin- oder Tyrosinreste zu phosphorylieren. In Bakterien und einigen anderen Organismen spielen auch Histidin- und Aspartatphosphorylierungen eine Rolle, insbesondere in Zwei-Komponenten-Signalwegen. Neben Proteinen kommen Phosphatgruppen auch auf Lipiden, Kohlenhydraten oder Nukleotiden vor, was eine breitere Rolle in der Zellkommunikation ermöglicht.

Die Phosphorylierung dient als schneller, reversibler Regulationsmechanismus. Sie verändert die Aktivität von Enzymen, beeinflusst Protein–Protein-Wechselwirkungen, subzelluläre Lokalisierung und die Bildung von Signalkaskaden. Kinase-Aktivität wird durch Signale, Zellzustände oder Umweltbedingungen gesteuert und durch Phosphatasen rasch rückgängig gemacht, wodurch Dynamik entsteht.

Als zentrale Gruppen von Phosphorylierungen gelten Serin/Threonin- und Tyrosinphosphorylierungen in Eukaryoten; Histidin-/Aspartatphosphorylierung spielen eine Schlüsselrolle in bakteriellen Signalsystemen. Die Modifikationen können mehrfach am gleichen Protein auftreten und ein komplexes Netz bilden. Nachweis- und Quantifizierungsmethoden umfassen Phosphoproteomics, Massenspektrometrie sowie phospho-spezifische Antikörper und Immunoblot-Techniken.

Phosphorylierungen haben eine zentrale Rolle in der Regulation von Zellzyklus, Stoffwechsel und Entwicklung und sind häufig mit Krankheiten wie Krebs oder Diabetes assoziiert. Aufgrund ihrer zentralen Funktion sind Kinase-Inhibitoren wichtige Therapeutika. Der Mechanismus der Proteinphosphorylierung trug 1992 zur Verleihung des Nobelpreises an Edmond Fischer und Edwin Krebs.

Vorkommen und Bedeutung unterscheiden sich zwischen Organismen: In Eukaryoten dominiert Ser/Thr-/ Tyr-Phosphorylierung; in Bakterien sind Histidin- und Aspartat-Phosphorylierung in Signalwegen verbreitet. Insgesamt bilden Phosphorylierungen ein zentrales Element zellulärer Informationsverarbeitung.