Η φωσφορυλίωση είναι μια χημική διαδικασία κατά την οποία μια φωσφορική ομάδα (PO43-) προστίθεται σε μια ένωση. Ισχύει συνήθως για την οργανική χημεία και είναι ζωτικής σημασίας για όλους τους ζωντανούς οργανισμούς. Η διαδικασία εμπλέκεται στη σύνθεση πρωτεϊνών και στην παραγωγή της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) — ενός μορίου που αποθηκεύει και παρέχει ενέργεια. Διαδραματίζει επίσης κρίσιμο ρόλο σε διάφορους χημικούς μηχανισμούς σηματοδότησης και ρύθμισης εντός του κυττάρου τροποποιώντας τη δομή διαφόρων πρωτεϊνών και αλλάζοντας τις δραστηριότητές τους.
Κανονικά, απαιτείται ενέργεια για τις βιοχημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν την προσθήκη μιας φωσφορικής ομάδας σε ένα μόριο. Συχνά, αυτή η ενέργεια προέρχεται από μόρια ATP. Το ATP περιέχει τρεις φωσφορικές ομάδες, η μία από τις οποίες αφαιρείται εύκολα. Η απομάκρυνση αυτής της ομάδας απελευθερώνει σημαντική ενέργεια, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ενεργοποιηθεί μια αντίδραση φωσφορυλίωσης στην οποία η φωσφορική ομάδα προστίθεται σε ένα άλλο μόριο – για παράδειγμα, τη γλυκόζη. Έτσι, οι φωσφορικές ομάδες μπορούν εύκολα να μεταφερθούν από το ATP σε άλλα μόρια.
Αυτές οι αντιδράσεις, ωστόσο, απαιτούν το ΑΤΡ και το μόριο του υποδοχέα να ενωθούν έτσι ώστε να πραγματοποιηθεί η μεταφορά. Αυτό επιτυγχάνεται με ένζυμα γνωστά ως κινάσες. Αυτές είναι μεγάλες, πολύπλοκες πρωτεΐνες, οι οποίες μπορεί να περιέχουν αρκετές εκατοντάδες αμινοξέα. Το σχήμα του ενζύμου είναι κρίσιμο: η δομή ενός ενζύμου κινάσης είναι τέτοια που τόσο το ΑΤΡ όσο και το μόριο του υποδοχέα μπορούν να φιλοξενηθούν σε κοντινή απόσταση για να επιτρέψουν την εξέλιξη της αντίδρασης. Ένα παράδειγμα είναι η κινάση της γλυκερίνης, η οποία διευκολύνει τη μεταφορά μιας φωσφορικής ομάδας από το ΑΤΡ στη γλυκερίνη. Αυτό είναι μέρος της διαδικασίας που παράγει φωσφολιπίδια, τα οποία χρησιμοποιούνται στις κυτταρικές μεμβράνες.
Το ίδιο το ATP παράγεται από μια πολύ γνωστή διαδικασία φωσφορυλίωσης που ονομάζεται οξειδωτική φωσφορυλίωση, στην οποία μια φωσφορική ομάδα προστίθεται στη διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) για να παραχθεί ATP. Η ενέργεια για αυτή τη διαδικασία προέρχεται τελικά από τα τρόφιμα που τρώμε, αλλά πιο συγκεκριμένα από την οξείδωση της γλυκόζης. Είναι μια πολύ περίπλοκη διαδικασία με πολλά βήματα, αλλά με απλά λόγια, η ενέργεια από τη γλυκόζη χρησιμοποιείται για να σχηματιστούν δύο ενώσεις, γνωστές ως NADH και FADH2, οι οποίες παρέχουν την ενέργεια για το υπόλοιπο της αντίδρασης. Οι ενώσεις είναι αναγωγικοί παράγοντες που χωρίζουν εύκολα τα ηλεκτρόνια, έτσι ώστε να μπορούν να οξειδωθούν. Φωσφορικές ομάδες προστίθενται στα μόρια ATP χρησιμοποιώντας την ενέργεια που απελευθερώνεται από την οξείδωση των NADH και FADH2. αυτή η αντίδραση διευκολύνεται από το ένζυμο συνθετάση ATP.
Πολλές διαφορετικές κινάσες βρίσκονται τόσο στα φυτά όσο και στα ζώα. Λόγω της σημασίας τους σε τόσες πολλές κυτταρικές διεργασίες, μια δοκιμασία φωσφορυλίωσης έχει γίνει μια κοινή εργαστηριακή διαδικασία. Αυτό περιλαμβάνει δοκιμή δειγμάτων κυτταρικού υλικού για να ελεγχθεί εάν έχει λάβει χώρα φωσφορυλίωση πρωτεΐνης και, σε ορισμένες περιπτώσεις, μέτρηση της έκτασής της. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της φωσφορυλίωσης, συμπεριλαμβανομένης της επισήμανσης φωσφορικών ομάδων με ραδιοϊσότοπα, της χρήσης αντισωμάτων ειδικών για τη φωσφορυλιωμένη πρωτεΐνη και της φασματομετρίας μάζας.
Από το 2011, οι επιπλέον ρυθμιζόμενες με σήμα κινάσες (ERKs) – ένζυμα που εμπλέκονται σε δραστηριότητες σηματοδότησης εντός του κυττάρου – αποτελούν μια περιοχή ιδιαίτερου ενδιαφέροντος. Η φωσφορυλίωση ERK παίζει ρόλο στη ρύθμιση διαφόρων κυτταρικών λειτουργιών, συμπεριλαμβανομένης της μίτωσης και άλλων διεργασιών που σχετίζονται με την κυτταρική διαίρεση. Αυτή η διαδικασία σχετίζεται με ορισμένους τομείς έρευνας για τον καρκίνο, καθώς μπορεί να ενεργοποιηθεί από καρκινογόνες ουσίες και από ιούς, οδηγώντας σε ανεξέλεγκτη κυτταρική διαίρεση και άλλες επιπτώσεις που σχετίζονται με τον καρκίνο. Η έρευνα για πιθανές θεραπείες για τον καρκίνο που περιλαμβάνουν την αναστολή αυτής της διαδικασίας βρίσκεται σε εξέλιξη. Μια δοκιμασία φωσφορυλίωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο διαφορετικών ουσιών για την αποτελεσματικότητά τους σε αυτόν τον ρόλο.