La phosphorylation est l'addition chimique d'un groupe phosphoryle (PO3 ) à une molécule organique. L'élimination d'un groupe phosphoryle est appelée déphosphorylation. La phosphorylation et la déphosphorylation sont toutes deux réalisées par des enzymes (par exemple, des kinases, des phosphotransférases). La phosphorylation est importante dans les domaines de la biochimie et de la biologie moléculaire, car il s'agit d'une réaction clé dans la fonction des protéines et des enzymes, le métabolisme des sucres, ainsi que le stockage et la libération d'énergie.
La phosphorylation joue un rôle régulateur essentiel dans les cellules. Ses fonctions incluent :
De nombreux types de molécules peuvent subir une phosphorylation et une déphosphorylation. Trois des types de phosphorylation les plus importants sont la phosphorylation du glucose, la phosphorylation des protéines et la phosphorylation oxydative.
Le glucose et les autres sucres sont souvent phosphorylés lors de la première étape de leur catabolisme. Par exemple, la première étape de la glycolyse du D-glucose est sa conversion en D-glucose-6-phosphate. Le glucose est une petite molécule qui imprègne facilement les cellules. La phosphorylation forme une molécule plus grosse qui ne peut pas facilement pénétrer dans les tissus. Ainsi, la phosphorylation est essentielle pour réguler la concentration de glucose dans le sang. La concentration de glucose, à son tour, est directement liée à la formation de glycogène. La phosphorylation du glucose est également liée à la croissance cardiaque.
Phoebus Levene du Rockefeller Institute for Medical Research a été le premier à identifier une protéine phosphorylée (phosvitine) en 1906, mais la phosphorylation enzymatique des protéines n'a été décrite que dans les années 1930.
La phosphorylation des protéines se produit lorsque le groupe phosphoryle est ajouté à un acide aminé. Habituellement, l'acide aminé est la sérine, bien que la phosphorylation se produise également sur la thréonine et la tyrosine chez les eucaryotes et l'histidine chez les procaryotes. Il s'agit d'une réaction d'estérification dans laquelle un groupe phosphate réagit avec le groupe hydroxyle (-OH) d'une chaîne latérale sérine, thréonine ou tyrosine. L'enzyme protéine kinase lie de manière covalente un groupe phosphate à l'acide aminé. Le mécanisme précis diffère quelque peu entre les procaryotes et les eucaryotes. Les formes de phosphorylation les mieux étudiées sont les modifications post-traductionnelles (PTM), ce qui signifie que les protéines sont phosphorylées après traduction à partir d'une matrice d'ARN. La réaction inverse, la déphosphorylation, est catalysée par les protéines phosphatases.
Un exemple important de phosphorylation des protéines est la phosphorylation des histones. Chez les eucaryotes, l'ADN est associé à des protéines histones pour former la chromatine. La phosphorylation des histones modifie la structure de la chromatine et altère ses interactions protéine-protéine et ADN-protéine. Habituellement, la phosphorylation se produit lorsque l'ADN est endommagé, ouvrant un espace autour de l'ADN brisé afin que les mécanismes de réparation puissent faire leur travail.
En plus de son importance dans la réparation de l'ADN, la phosphorylation des protéines joue un rôle clé dans le métabolisme et les voies de signalisation.
La phosphorylation oxydative est la façon dont une cellule stocke et libère de l'énergie chimique. Dans une cellule eucaryote, les réactions se produisent au sein des mitochondries. La phosphorylation oxydative comprend les réactions de la chaîne de transport d'électrons et celles de la chimiosmose. En résumé, la réaction redox fait passer les électrons des protéines et d'autres molécules le long de la chaîne de transport d'électrons dans la membrane interne des mitochondries, libérant de l'énergie qui est utilisée pour fabriquer l'adénosine triphosphate (ATP) dans la chimiosmose.
Dans ce processus, NADH et FADH2 livrer des électrons à la chaîne de transport d'électrons. Les électrons passent d'une énergie plus élevée à une énergie plus faible à mesure qu'ils progressent le long de la chaîne, libérant de l'énergie en cours de route. Une partie de cette énergie sert à pomper des ions hydrogène (H) pour former un gradient électrochimique. À la fin de la chaîne, les électrons sont transférés à l'oxygène, qui se lie avec H pour former de l'eau. Les ions H fournissent l'énergie nécessaire à l'ATP synthase pour synthétiser l'ATP. Lorsque l'ATP est déphosphorylé, le clivage du groupe phosphate libère de l'énergie sous une forme que la cellule peut utiliser.
L'adénosine n'est pas la seule base qui subit une phosphorylation pour former de l'AMP, de l'ADP et de l'ATP. Par exemple, la guanosine peut également former du GMP, du GDP et du GTP.
Le fait qu'une molécule ait été phosphorylée ou non peut être détecté à l'aide d'anticorps, d'électrophorèse ou de spectrométrie de masse. Cependant, l'identification et la caractérisation des sites de phosphorylation est difficile. Le marquage isotopique est souvent utilisé, en conjonction avec la fluorescence, l'électrophorèse et les immunodosages.
