الفسفرة هي إضافة مجموعة الفسفوريل (PO3-) الكيميائية إلى جزيء عضوي ، تسمى تلك العملية بإزالة مجموعة الفسفورييل بنزع الفسفوريل ، ويتم تنفيذ كل من الفسفرة وإزالة الفسفور بواسطة إنزيمات مثل الكيناز ونانبات الفسفوتوسفيرات. وعنصر الفسفور مهم للغاية ، في مجالات الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية ؛ نظرًا لأنه رد فعل رئيس في عمليات البروتين والإنزيم وأيض السكر وتخزين وإطلاق الطاقة. والفسفرة أو إضافة الفوسفات غير العضوي ، هي عملية مهمة داخل النظام البيولوجي ككل ، وسوف نعرف الفسفرة ، ونسلط الضوء على أنواعها مع شرح خطوات كل منها.[1]
تعريف الفسفرة علميًا
الفسفرة هي عملية كيميائية حيوية تتضمن إضافة فوسفات إلى مركب عضوي ، ومن الأمثلة على ذلك إضافة الفوسفات إلى الجلوكوز لإنتاج أحادي الفوسفات الجلوكوز ، أو إضافة الفوسفات إلى ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) لتكوين أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، وتتم الفسفرة من خلال عمل الإنزيمات المعروفة باسم نانبات الفسفوتوسفيرات phosphotransferases أو الكيناز kinases.
أغراض عملية الفسفرة
الفسفرة عبارة عن تعديل ما بعد تحويلي شائع في مجموعة من البروتينات ، وبما أن العملية سريعة جدًا ، يمكن تنشيط البروتين أو تعطيله تقريبًا عند الحاجة ، وخير مثال لتلك العملية هو عملية الأيض ، وهو مجموع جميع العمليات الكيميائية الحيوية التي تحدث داخل النظام الحي. يمكن القول أن عملية التمثيل الغذائي ، تقوم بتحطيم المادة العضوية لإطلاق الطاقة ، التي تستخدم بعد ذلك لبناء المكونات الخلوية ، والبروتينات هي الجزيئات الحيوية التي تسهل بناء الخلايا، وتحقيق التوازن فيها وتكسيرها داخل الخلية.
وهناك عدد من التعديلات التي أجريت على البروتينات ، تستهدف العمل إما على تنشيط أو إلغاء تنشيط أو توجيه وظيفة هذا البروتين ، وتلك التعديلات تُعرف بالتعديلات اللاحقة للترجمة (PTMs) ، وأكثرها شيوعًا هي عملية الفسفرة. ولهذا فالفسفرة هي العملية التي يتم من خلالها نقل مجموعة الفوسفات من جزيء واحد إلى بروتين ، عادة داخل نظام بيولوجي. وتلعب الفسفرة دورًا تنظيميًا حاسمًا في الخلايا ؛ حيث تشمل وظائفها عددًا من المهام مثل :
مهم لتحلل السكر
تستخدم لحدوث التفاعل بين البروتينات
تستخدم لتحطيم البروتين
تستخدم لتنظيم تثبيط الانزيم
يحافظ على التوازن عن طريق تنظيم التفاعلات الكيميائية التي تتطلب الطاقة. [2][3]
أنواع الفسفرة
يمكن أن تخضع العديد من أنواع الجزيئات للفوسفور وإزالة الفسفرة ، ولذلك فهناك ثلاثة من أهم أنواع الفسفرة وهي ؛ فسفرة الجلوكوز ، وفسفرة البروتين ، والفسفرة المؤكسدة.
فسفرة الجلوكوز
غالبا ما يتم فسفرة الجلوكوز والسكريات الأخرى كخطوة أولى عند هدمهم ، على سبيل المثال تتمثل الخطوة الأولى من تحلل سكر الجلوكوز أو فسفرته ، في تحويله من D إلى D-glucose-6-phosphate ، والجلوكوز هو جزيء صغير يتخلل الخلايا بسهولة ، ويشكل الفسفور جزيئًا أكبر لا يمكن أن يدخل الأنسجة بسهولة ، لذلك تكون عملية الفسفرة هنا أمر بالغ الأهمية ؛ من أجل تنظيم تركيز الجلوكوز في الدم ، وهذا التركيز للجلوكوز يرتبط مباشرة بدوره بمسألة بتكوين الجليكوجين ، بالإضافة إلى ما سبق، ترتبط فسفرة الجلوكوز أيضًا بنمو القلب.[4]
فسفرة البروتين
يعد فيوبس ليفين Phoebus Levene في معهد روكفلر للأبحاث الطبية ، هو أول من اكتشف البروتين الفسفوري المسمى بفسفيتين في عام 1906 ، ولكن لم يتم وصف الفسفرة الأنزيمية للبروتينات حتى الثلاثينيات من القرن الماضي ، وتحدث فسفرة البروتين عند إضافة مجموعة الفسفوريل إلى الحمض الأميني ، والذي عادة ما يكون سيرينًا ، على الرغم من حدوث الفسفرة أيضًا على ثريونين وتيروزين في حقيقيات النوى ، والهيستدين في بدائيات النوى ، هذا التفاعل الذي يسري عند تفاعل مجموعة فوسفات مع مجموعة الهيدروكسيل (-OH) من سلسلة جانبية من سلسلة سيرين أو ثريونين أو تيروزين.
ويرتبط بروتين الإنزيم كيناز تساهميًا مع مجموعة الفوسفات بالحمض الأميني ، حيث تختلف الآلية الدقيقة إلى حد ما بين بدائيات النوى والنواة ، مما يعني أن البروتينات يتم فسفتها بعد التعديل من قالب RNA ، حيث يتم التحفيز بصورة عكسية ، وتحدث عملية إزالة الفسفرة ، بواسطة فسفاتاز البروتين.
مثال هام على الفسفرة البروتينية هو فسفرة هيستون ؛ في حقيقيات النوى يرتبط الحمض النووي مع بروتينات هيستون لتشكيل الكروماتين ، وعند إحراء فسفرة هيستون يغير هيكل الكروماتين ويغير تفاعلاته بين البروتين والبروتين والحمض النووي ، وعادة ما تحدث الفسفرة هنا في حالة تلف الحمض النووي ، مما يفتح مساحة حول الحمض النووي المكسور حتى تتمكن آليات الإصلاح من أداء عملها. وبالإضافة إلى أهميتها في إصلاح الحمض النووي ، تلعب فسفرة البروتين دورًا رئيسيًا ، في عملية التمثيل الغذائي داخل الجسم ومساراتها.[5]
الفسفرة التأكسدية
الفسفرة التأكسدية هي كيف تقوم الخلية بتخزين وإطلاق الطاقة الكيميائية ، ففي الخلية حقيقية النواة ، تحدث ردود الفعل داخل الميتوكوندريا ، حيث يتكون الفسفرة التأكسدية من تفاعلات سلسلة نقل الإلكترون وتفاعلات التسمم الكيميائي ، وباختصار يمر تفاعل الأكسدة عبر الإلكترونات من البروتينات والجزيئات الأخرى على طول سلسلة نقل الإلكترون في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا ، محررة للطاقة المستخدمة في صنع أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) في التحلل الكيميائي. وفي هذه العملية ، يوصل NADH و FADH2 الإلكترونات إلى سلسلة نقل الإلكترون ، ثم تنتقل الإلكترونات من طاقة أعلى إلى طاقة أقل أثناء تقدمها على طول السلسلة .
وتطلق الطاقة على طول الطريق ، فيذهب جزء من هذه الطاقة إلى ضخ أيونات الهيدروجين (H +) لتشكيل التدرج الكهروكيميائي ، وفي نهاية هذه السلسلة ، يتم نقل الإلكترونات إلى الأكسجين ، الذي يرتبط مع H + لتكوين الماء ، وتزود أيونات H + الطاقة من أجل تحويل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) وتوليفه ، لتكوين الأدينوزين عندما يتم إزالة فسفور ATP ، حيث تطلق مجموعة الفوسفات الطاقة ، في شكل ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) ، الذي يمكن أن تستخدمه الخلية. وجدير بالذكر ، أن الأدينوزين ليس هو القاعدة الوحيدة التي تخضع لعملية الفسفرة لتشكيل AMP و ADP و ATP على حد سواء.[6]
الكشف عن الفسفرة
يمكن اكتشاف ما إذا كان الجزيء قد تفسفر أم لا باستخدام الأجسام المضادة ، أو الكهربائي ، أو الطيف الكتلي.
يمكن استخدام الأجسام المضادة الفوسفورية ، لتحديد حالة الفسفرة لبروتين معين ، وعند البحث عن لطخة باستخدام الأجسام المضادة الفوسفاتية ، ابتعد عن الحليب كعامل مانع ؛ حيث يحتوي الحليب على بروتينات فوسفورية ، يمكنها التفاعل مع الجسم المضاد.
أيضًا إذا كان لديك الكثير من العينات لتحليلها ، وترغب في إجراء اختبار كمي ، يمكنك إجراء اختبار ELISA باستخدام الأجسام المضادة الفوسفورية الخاصة بعينتك ، حيث يمكن أن تكون هذه القياسات محددة للغاية ، حيث يتعرف الجسم المضاد على البروتين بشكل مستقل بعيدًا عن حالة الفسفرة ، بينما يستخدم الجسم المضاد للكشف بروتين الفسفرة.
وبدلًا من ذلك ، يمكن استخدام التدفق الخلوي أو الكيمياء المناعية لفحص حالة الفسفرة على أساس كل خلية على حدة ، أو الكشف عن البروتينات الفوسفورية في الموقع الخلوي.[7]
تعريف الفسفرة علميًا
الفسفرة هي عملية كيميائية حيوية تتضمن إضافة فوسفات إلى مركب عضوي ، ومن الأمثلة على ذلك إضافة الفوسفات إلى الجلوكوز لإنتاج أحادي الفوسفات الجلوكوز ، أو إضافة الفوسفات إلى ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) لتكوين أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، وتتم الفسفرة من خلال عمل الإنزيمات المعروفة باسم نانبات الفسفوتوسفيرات phosphotransferases أو الكيناز kinases.
أغراض عملية الفسفرة
الفسفرة عبارة عن تعديل ما بعد تحويلي شائع في مجموعة من البروتينات ، وبما أن العملية سريعة جدًا ، يمكن تنشيط البروتين أو تعطيله تقريبًا عند الحاجة ، وخير مثال لتلك العملية هو عملية الأيض ، وهو مجموع جميع العمليات الكيميائية الحيوية التي تحدث داخل النظام الحي. يمكن القول أن عملية التمثيل الغذائي ، تقوم بتحطيم المادة العضوية لإطلاق الطاقة ، التي تستخدم بعد ذلك لبناء المكونات الخلوية ، والبروتينات هي الجزيئات الحيوية التي تسهل بناء الخلايا، وتحقيق التوازن فيها وتكسيرها داخل الخلية.
وهناك عدد من التعديلات التي أجريت على البروتينات ، تستهدف العمل إما على تنشيط أو إلغاء تنشيط أو توجيه وظيفة هذا البروتين ، وتلك التعديلات تُعرف بالتعديلات اللاحقة للترجمة (PTMs) ، وأكثرها شيوعًا هي عملية الفسفرة. ولهذا فالفسفرة هي العملية التي يتم من خلالها نقل مجموعة الفوسفات من جزيء واحد إلى بروتين ، عادة داخل نظام بيولوجي. وتلعب الفسفرة دورًا تنظيميًا حاسمًا في الخلايا ؛ حيث تشمل وظائفها عددًا من المهام مثل :
مهم لتحلل السكر
تستخدم لحدوث التفاعل بين البروتينات
تستخدم لتحطيم البروتين
تستخدم لتنظيم تثبيط الانزيم
يحافظ على التوازن عن طريق تنظيم التفاعلات الكيميائية التي تتطلب الطاقة. [2][3]
أنواع الفسفرة
يمكن أن تخضع العديد من أنواع الجزيئات للفوسفور وإزالة الفسفرة ، ولذلك فهناك ثلاثة من أهم أنواع الفسفرة وهي ؛ فسفرة الجلوكوز ، وفسفرة البروتين ، والفسفرة المؤكسدة.
فسفرة الجلوكوز
غالبا ما يتم فسفرة الجلوكوز والسكريات الأخرى كخطوة أولى عند هدمهم ، على سبيل المثال تتمثل الخطوة الأولى من تحلل سكر الجلوكوز أو فسفرته ، في تحويله من D إلى D-glucose-6-phosphate ، والجلوكوز هو جزيء صغير يتخلل الخلايا بسهولة ، ويشكل الفسفور جزيئًا أكبر لا يمكن أن يدخل الأنسجة بسهولة ، لذلك تكون عملية الفسفرة هنا أمر بالغ الأهمية ؛ من أجل تنظيم تركيز الجلوكوز في الدم ، وهذا التركيز للجلوكوز يرتبط مباشرة بدوره بمسألة بتكوين الجليكوجين ، بالإضافة إلى ما سبق، ترتبط فسفرة الجلوكوز أيضًا بنمو القلب.[4]
فسفرة البروتين
يعد فيوبس ليفين Phoebus Levene في معهد روكفلر للأبحاث الطبية ، هو أول من اكتشف البروتين الفسفوري المسمى بفسفيتين في عام 1906 ، ولكن لم يتم وصف الفسفرة الأنزيمية للبروتينات حتى الثلاثينيات من القرن الماضي ، وتحدث فسفرة البروتين عند إضافة مجموعة الفسفوريل إلى الحمض الأميني ، والذي عادة ما يكون سيرينًا ، على الرغم من حدوث الفسفرة أيضًا على ثريونين وتيروزين في حقيقيات النوى ، والهيستدين في بدائيات النوى ، هذا التفاعل الذي يسري عند تفاعل مجموعة فوسفات مع مجموعة الهيدروكسيل (-OH) من سلسلة جانبية من سلسلة سيرين أو ثريونين أو تيروزين.
ويرتبط بروتين الإنزيم كيناز تساهميًا مع مجموعة الفوسفات بالحمض الأميني ، حيث تختلف الآلية الدقيقة إلى حد ما بين بدائيات النوى والنواة ، مما يعني أن البروتينات يتم فسفتها بعد التعديل من قالب RNA ، حيث يتم التحفيز بصورة عكسية ، وتحدث عملية إزالة الفسفرة ، بواسطة فسفاتاز البروتين.
مثال هام على الفسفرة البروتينية هو فسفرة هيستون ؛ في حقيقيات النوى يرتبط الحمض النووي مع بروتينات هيستون لتشكيل الكروماتين ، وعند إحراء فسفرة هيستون يغير هيكل الكروماتين ويغير تفاعلاته بين البروتين والبروتين والحمض النووي ، وعادة ما تحدث الفسفرة هنا في حالة تلف الحمض النووي ، مما يفتح مساحة حول الحمض النووي المكسور حتى تتمكن آليات الإصلاح من أداء عملها. وبالإضافة إلى أهميتها في إصلاح الحمض النووي ، تلعب فسفرة البروتين دورًا رئيسيًا ، في عملية التمثيل الغذائي داخل الجسم ومساراتها.[5]
الفسفرة التأكسدية
الفسفرة التأكسدية هي كيف تقوم الخلية بتخزين وإطلاق الطاقة الكيميائية ، ففي الخلية حقيقية النواة ، تحدث ردود الفعل داخل الميتوكوندريا ، حيث يتكون الفسفرة التأكسدية من تفاعلات سلسلة نقل الإلكترون وتفاعلات التسمم الكيميائي ، وباختصار يمر تفاعل الأكسدة عبر الإلكترونات من البروتينات والجزيئات الأخرى على طول سلسلة نقل الإلكترون في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا ، محررة للطاقة المستخدمة في صنع أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) في التحلل الكيميائي. وفي هذه العملية ، يوصل NADH و FADH2 الإلكترونات إلى سلسلة نقل الإلكترون ، ثم تنتقل الإلكترونات من طاقة أعلى إلى طاقة أقل أثناء تقدمها على طول السلسلة .
وتطلق الطاقة على طول الطريق ، فيذهب جزء من هذه الطاقة إلى ضخ أيونات الهيدروجين (H +) لتشكيل التدرج الكهروكيميائي ، وفي نهاية هذه السلسلة ، يتم نقل الإلكترونات إلى الأكسجين ، الذي يرتبط مع H + لتكوين الماء ، وتزود أيونات H + الطاقة من أجل تحويل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) وتوليفه ، لتكوين الأدينوزين عندما يتم إزالة فسفور ATP ، حيث تطلق مجموعة الفوسفات الطاقة ، في شكل ثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) ، الذي يمكن أن تستخدمه الخلية. وجدير بالذكر ، أن الأدينوزين ليس هو القاعدة الوحيدة التي تخضع لعملية الفسفرة لتشكيل AMP و ADP و ATP على حد سواء.[6]
الكشف عن الفسفرة
يمكن اكتشاف ما إذا كان الجزيء قد تفسفر أم لا باستخدام الأجسام المضادة ، أو الكهربائي ، أو الطيف الكتلي.
يمكن استخدام الأجسام المضادة الفوسفورية ، لتحديد حالة الفسفرة لبروتين معين ، وعند البحث عن لطخة باستخدام الأجسام المضادة الفوسفاتية ، ابتعد عن الحليب كعامل مانع ؛ حيث يحتوي الحليب على بروتينات فوسفورية ، يمكنها التفاعل مع الجسم المضاد.
أيضًا إذا كان لديك الكثير من العينات لتحليلها ، وترغب في إجراء اختبار كمي ، يمكنك إجراء اختبار ELISA باستخدام الأجسام المضادة الفوسفورية الخاصة بعينتك ، حيث يمكن أن تكون هذه القياسات محددة للغاية ، حيث يتعرف الجسم المضاد على البروتين بشكل مستقل بعيدًا عن حالة الفسفرة ، بينما يستخدم الجسم المضاد للكشف بروتين الفسفرة.
وبدلًا من ذلك ، يمكن استخدام التدفق الخلوي أو الكيمياء المناعية لفحص حالة الفسفرة على أساس كل خلية على حدة ، أو الكشف عن البروتينات الفوسفورية في الموقع الخلوي.[7]
