זרחן

ה זרחן הוא תהליך בסיסי של ביוכימיה שמתרחש לא רק באורגניזם האנושי, אלא בכל היצורים החיים עם גרעין תאים וחיידקים. זהו חלק חיוני מהולכת האות התאים ודרך חשובה לשלוט בהתנהגות התאים. לרוב, רכיבי חלבונים הם זרחניים, אך מולקולות אחרות כמו סוכר יכולות לשמש גם כמצעים. מנקודת מבט כימית, זרחן של חלבונים יוצר קשר אסטר של חומצה זרחתית.

מה זה זרחן?

המונח זרחן מתאר את העברת קבוצות הפוספט למולקולות אורגניות - לרוב אלה שאריות חומצות האמינו המרכיבות חלבונים. לפוספטים מבנה טטרהדראלי המורכב מאטום זרחן מרכזי וארבעה אטומי חמצן קשורים בקו-קוונטלי.

לקבוצות פוספט מטען שלילי כפול. הם מועברים למולקולה אורגנית על ידי אנזימים ספציפיים, מה שנקרא קינאזים. עם צריכת אנרגיה, אלה בדרך כלל קושרים את שאריות הפוספט לקבוצה הידרוקסילית של חלבון, כך שנוצר אסטר של חומצה זרחתית. עם זאת, תהליך זה הוא הפיך, כלומר זה יכול להיות הפוך, שוב על ידי אנזימים מסוימים. אנזימים כאלה המפוצלים קבוצות פוספט מכונים בדרך כלל פוספטאזים.

גם הקינאזות וגם הפוספטאזים מייצגים כל אחד את מחלקת האנזים שלהם, אותם ניתן לחלק לתתי משנה נוספים על פי קריטריונים שונים כמו סוג המצע או מנגנון ההפעלה.

פונקציה ומשימה

תפקיד מכריע של פוספטים, במיוחד פוליפוספטים, באורגניזם הוא אספקת האנרגיה. הדוגמה הבולטת לכך היא ATP (אדנוזין טריפוספט), שהוא נושא האנרגיה העיקרי בגוף. אגירת אנרגיה באורגניזם האנושי פירושה אפוא בדרך כלל סינתזה של ATP.

לשם כך, יש להעביר שארית פוספט למולקולת ADP (אדנוזין דו-פוספט) כך שרשת קבוצות הפוספט שלה, המקושרת באמצעות קשרי אנהידרידים זרחתיים, מורחבת. המולקולה המתקבלת נקראת ATP (אדנוזין טריפוספט). האנרגיה הנאגרת בדרך זו מתקבלת מהמחשוף המחודש של הקשר, ומשאירה את ה- ADP מאחור. ניתן גם לפצל פוספט נוסף, לפיו נוצר AMP (אדנוזין מונופוספט). בכל פעם שמתפצל פוספט, התא זמין ליותר מ -30 ק"ג לשומה.

סוכר זרחן גם במהלך חילוף החומרים הפחמימות האנושי מסיבות אנרגטיות. האחד מדבר גם על "שלב איסוף" ו"שלב התאוששות "של גליקוליזה, שכן תחילה יש להשקיע אנרגיה בצורה של קבוצות פוספט בחומרי ההתחלה על מנת להשיג ATP בהמשך. בנוסף, גלוקוז, למשל גלוקוז 6-פוספט, כבר לא יכול להתפזר ללא הפרעה דרך קרום התא ולכן הוא קבוע בתוך התא, שם הוא נדרש לצעדים מטבוליים חשובים אחרים.

בנוסף, זרחן ותגובותיו הפוכות, בנוסף לעיכוב אלסטרואי ותחרותי, מייצגים את המנגנונים המכריעים לוויסות פעילות התאים.ברוב המקרים, חלבונים הם זרחתיים או מנותחים את זרחן. חומצות האמינו סרין, טרונין וטירוזין הכלולות בחלבונים משתנות בתדירות הגבוהה ביותר, כאשר הסרין מעורב ברובם המכריע של הזרחנים. במקרה של חלבונים עם פעילות אנזימים, שני התהליכים יכולים להוביל להפעלה כמו גם להפסקה, בהתאם למבנה המולקולה.

לחלופין, הזירה (דה) על ידי העברת או הסרה של מטען שלילי כפול יכולה גם להוביל להיווצרות קונפורמציה של החלבון באופן כזה שמולקולות אחרות מסוימות יכולות להיקשר לתחומי החלבון המושפעים או סתם לא עוד. דוגמה למנגנון זה היא סוג הקולטנים המשויכים לחלבון G.

שני המנגנונים ממלאים תפקיד יוצא מן הכלל בהעברת האותות בתא ובוויסות מטבוליזם התא. הם יכולים להשפיע על התנהגות תא ישירות באמצעות פעילות האנזים או בעקיפין באמצעות שעתוק ותרגום של ה- DNA.

מחלות ומחלות

אוניברסליים ועקרוניים כמו תפקודי הזרחן, ההשלכות אם מופרע מנגנון התגובה הן מגוונות באותה מידה. פגם או עיכוב של זרחן, בדרך כלל הנגרמת על ידי מחסור בקינאזות חלבון או מחסור בהם, יכולים להוביל למחלות מטבוליות, מחלות של מערכת העצבים והשרירים או נזק לאיברים בודדים. תאי עצב ושריר מושפעים לרוב תחילה מה שמתבטא בסימפטומים נוירולוגיים וחולשת שרירים.

במידה מועטה, הגוף יכול לפצות על הפרעות מסוימות בקינאזות או בפוספטאזים, מכיוון שלעיתים ישנן מספר דרכים להעביר אות וכך ניתן לעקוף את "הנקודה הפגומה" בשרשרת האות. ואז, למשל, חלבון אחר מחליף את הפגום. לעומת זאת, ניתן לפצות יעילות מופחתת של האנזימים על ידי הגדלת הייצור.

רעלים פנימיים וחיצוניים כמו גם מוטציות גנטיות הם גורמים אפשריים למחסור או תקלה של קינאזים ופוספטאזים.

אם מוטציה כזו מתרחשת ב- DNA של המיטוכונדריה, יש השפעות שליליות על זרחן חמצוני ובכך סינתזת ATP, המשימה העיקרית של איברונים תאים אלה. מחלה מיטוכונדריאלית כזו היא למשל LHON (נוירופתיה אופטית תורשתית לברית), בה יש אובדן ראייה מהיר, לעיתים בשילוב עם הפרעות קצב לב. מחלה זו עוברת בתורשה מולדת, כלומר אך ורק מהאם, מכיוון שרק ה- DNA המיטוכונדרי שלה מועבר לילד, אך לא זה של האב.