La fosforilazione è un processo chimico di aggiunta di un gruppo fosfato a un composto organico. La fosforilazione è coinvolta in molti processi biologici nella regolazione delle funzioni proteiche, nella trasmissione del segnale nelle cellule, nella crescita cellulare, nella trasduzione del segnale, nello sviluppo cellulare, nella sintesi proteica e nella divisione cellulare.
A seconda del meccanismo di reazione la fosforilazione può essere di tipo ossidativo, al livello del substrato o può avvenire la fotofosforilazione. Nel primo caso si tratta di una via metabolica, che negli eucarioti avviene all’interno dei mitocondri, in cui le cellule utilizzano enzimi per ossidare i nutrienti, rilasciando così energia chimica per produrre adenosina trifosfato (ATP).
La fosforilazione a livello del substrato consiste nella formazione diretta di ATP o guanosintrifosfato (GPT) supportata dall’energia rilasciata da un altro legame ad alta energia che porta alla fosforilazione di ADP o GDP in ATP o GTP. Un esempio di fosforilazione a livello di substrato avviene nella glicolisi dopo la conversione della 3-fosfogliceraldeide, fosfato e NAD+ in 1,3-bisfosfoglicerato tramite l’enzima gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi.
La fotofosforilazione è la conversione dell’ADP in ATP nella quantità necessaria a ridurre l’anidride carbonica in glucosio che avviene nella fotosintesi utilizzando l’energia della luce solare. La fotofosforilazione ciclica, che coinvolge solo il fotosistema I genera ATP senza produrre NADPH, mentre quella non ciclica genera sia ATP che NADPH e utilizza sia il fotosistema I che il fotosistema II.
Fosforilazione delle proteine
La fosforilazione delle proteine, spiegata per la prima volta nel 1906 dal biochimico lituano Phoebus Levene nella vitellina fosforilata, è una delle modificazioni post-traduzionali più comuni e importanti. La fosforilazione è una reazione enzimatica cinetica rapida e reversibile che regola l’attività proteica e i processi cellulari attraverso l’attacco e il distacco di un gruppo fosfato dianionico sul residuo di una proteina, fornendo un cambiamento nelle proprietà strutturali delle proteine e la regolazione delle interazioni proteina-proteina.
Essa avviene in modo reversibile grazie all’azione delle protein-chinasi presenti negli eucarioti. Ciascuna protein-chinasi lega covalentemente un gruppo fosfato a una catena laterale di amminoacidi su un residuo di serina, treonina, o tirosina di una proteina e consiste nell’addizione di un gruppo fosfato al gruppo polare R di vari amminoacidi.
Le proteine-fosfatasi, di contro, catalizzano la rimozione del gruppo fosfato legato a serina, treonina e tirosina appartenenti a proteine fosforilate. Pertanto questi enzimi hanno un’attività opposta a quello delle chinasi e ricoprono un ruolo importante in molti processi di trasduzione del segnale.
La conseguenza di questa aggiunta modifica la proteina da idrofobica apolare a idrofila polare, consentendo alla proteina di cambiare conformazione quando interagisce con altre molecole. La capacità interattiva del gruppo fosfato PO43- è dovuta principalmente ai suoi componenti.
Il fosforo ha cinque elettroni esterni in grado di formare un massimo di cinque legami covalenti, ha tre valori di pK, elevata solubilità in acqua e può formare, per la sua versatilità, esteri mono-, di- e trialchilici e arilici con gruppi idrossilici e anidridi acide.
Fosforilazione ossidativa
La fosforilazione ossidativa è un processo cellulare che sfrutta la riduzione dell’ossigeno per generare legami fosfatici ad alta energia sotto forma di adenosina trifosfato. Si tratta di una serie di reazioni di ossido-riduzione che coinvolgono il trasferimento di elettroni da NADH e FADH2all’ossigeno attraverso diversi complessi proteici, metallici e lipidici nei mitocondri noti come catena di trasporto degli elettroni.
Durante questo processo gli elettroni derivati da NADH e FADH 2 si combinano con l’ossigeno e l’energia rilasciata da queste reazioni redox viene utilizzata per guidare la sintesi di ATP a partire dall’ADP. Il trasferimento di elettroni dal NADH all’O2 è una reazione ad alto rendimento energetico. Ad essa è infatti correlata una variazione dell’energia libera di -52.5 kcal/mol per ogni coppia di elettroni trasferiti.
Per essere raccolta in forma utilizzabile, questa energia deve essere prodotta gradualmente, mediante il passaggio degli elettroni attraverso una serie di trasportatori, che costituiscono la catena di trasporto degli elettroni. Questi trasportatori sono organizzati in quattro complessi nella membrana mitocondriale interna. Un quinto complesso proteico serve ad accoppiare le reazioni che producono energia dal trasporto degli elettroni alla sintesi di ATP.
Gli elettroni provenienti dal NADH entrano nella catena di trasporto degli elettroni nel complesso I e vengono inizialmente trasferiti dal NADH al flavina mononucleotide (FMN) e poi, attraverso un trasportatore ferro-zolfo, al coenzima Q. Da tale processo di ottiene energia e infatti la variazione di energia libera è pari a -16.6 kcal/mol.
Il coenzima Q trasporta gli elettroni dal complesso I attraverso la membrana al complesso III dove gli elettroni vengono trasferiti dal citocromo b al citocromo c con una variazione di energia libera di -10.1 kcal/mol.
Il citocromo c trasporta poi gli elettroni al complesso IV da cui vengono infine trasferiti all’ossigeno con un valore di ΔG pari a -25.8 kcal/mol. Il complesso II riceve elettroni dal succinato, intermedio del ciclo dell’acido citrico. Questi elettroni vengono trasferiti al FADH, anziché al NADH, e quindi al coenzima Q.
Dal coenzima Q gli elettroni vengono trasferiti al complesso III e poi al complesso IV senza, tuttavia una significativa diminuzione dell’energia libera e, quindi, non è accoppiato alla sintesi di ATP. L’energia libera ottenuta dal passaggio degli elettroni attraverso i complessi I, III e IV viene utilizzata per la fosforilazione dell’ADP.