Phosphorylierung und Dephosphorylierung sind chemische Modifikationen, bei denen Enzyme eine Phosphatgruppe zu einem Aminosäurerest auf einem Proteinsubstrat hinzufügen oder daraus entfernen. Diese chemischen Veränderungen können die Funktion des Zielproteins durch Veränderungen in der Konformation oder Aktivität regulieren.

Proteinkinasen sind Enzyme, die Proteine und andere Substrate phosphorylieren. Kinasen katalysieren die reversible Addition eines Phosphats aus ATP an die Hydroxylseitenketten von Serin-, Threonin- oder Tyrosinresten.

Eukaryotische Proteinkinasen gehören zu einer umfangreichen Familie von Enzymen mit konservierten Strukturen und katalytischen Sequenzen.

Wenn Kinasen eine Phosphatgruppe auf das Substrat übertragen, bildet sie ein wasserstoffgebundenes Netzwerk mit den umgebenden Aminosäureresten. Dieses Netzwerk von Wasserstoffbrücken verändert die dreidimensionale Struktur des Zielproteins und verändert dessen Funktion.

Solche Funktionsänderungen können das Aktivieren oder Deaktivieren der enzymatischen Aktivität des Substrats oder das Erstellen einer neuen Oberfläche beinhalten, auf der andere Moleküle mit dem Substrat interagieren können.

Phosphatasen katalysieren die Hydrolyse des Phosphats, indem sie ein Wassermolekül verwenden, um eine Phosphatgruppe als Phosphation zu entfernen und eine freie Hydroxylgruppe auf dem Aminosäurerest zu hinterlassen. Dadurch wird die Wasserstoffbrückenbindung gestört und die ursprüngliche Konformation und Funktion wiederhergestellt.

Phosphorylierung ist ein substratspezifischer Prozess, der durch mehrere Elemente bestimmt wird, einschließlich der einzigartigen katalytischen Kinasesequenz, der lokalen und distalen Bindung an das Substrat und der Adapterproteine, die unterschiedliche Kinase-Substrat-Wechselwirkungen vermitteln.
 

Einige Phosphatasen haben auch eine hohe Substratspezifität - sie entfernen Phosphat nur von einem oder wenigen ausgewählten Proteinen. Andere Phosphatasen können auf mehrere verschiedene Proteinsubstrate wirken und werden durch die regulatorischen Untereinheiten des Substrats auf ein bestimmtes Ziel gerichtet.

Proteinkinasen und Phosphatasen arbeiten zusammen, um ein Protein zwischen dem phosphorylierten und dem dephosphorylierten Zustand umzuschalten. Diese Veränderungen spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen Signal- und Stoffwechselwegen.

Wenn Glukose im Blut erhöht ist, führt Insulin zu einer erhöhten Proteinphosphatase-1-Aktivität. Das Enzym dephosphoryliert Zielsubstrate, was dazu führt, dass ein Organismus Glukose als Glykogen speichert.

Wenn der Blutzuckerspiegel sinkt, wird die Proteinkinase A aktiviert. Die Phosphorylierung der Zielproteine durch die Proteinkinase A stimuliert den Glykogenabbau und setzt Glukose in den Blutkreislauf frei.