זירחון

זירחון (או פוספורילציה) הוא הוספת קבוצת זרחה (, יון המכיל אטום זרחן אחד וארבעה אטומי חמצן) למולקולה נתונה. אנזימי קינאז מוסיפים קבוצות זרחה ואנזימי פוספטאז מסירים אותן. סימון מולקולות באמצעות זירחון משמש לבקרה על מגוון עצום של תהליכים בתאים חיים. בהתאם לחשיבות הביולוגית של תהליכי זירחון, הם מהווים כר פורה למחקר מדעי. נכון לחודש יולי 2018 מנה מסד הנתונים PubMed כשלוש מאות אלף מאמרים המזכירים את המונח זירחון, רובם בהקשר לזירחון חלבונים.

תפקיד

זירחון הוא ככל הנראה אמצעי הבקרה המרכזי ביצורים איקריוטיים. אנזימים וקולטנים רבים מופעלים או מושבתים על ידי הוספה או הסרה של קבוצת זרחה. אנזימים המתמחים בהוספת קבוצת זרחה למולקולות יעד מוגדרות נקראים אנזימי קינאז ואילו אנזימים המתמחים בהסרתן נקראים אנזימי פוספטאז.
במבט ראשון, דומה כי הוספת יון זרחה בודד לחלבון המונה מאות חומצות אמינו אינה אמורה להשפיע באופן משמעותי על תפקודו. הזירחון אמנם לא משנה את המבנה הראשוני של החלבון, אך עשויה להיות לו השפעה ניכרת על אופן קיפולו המרחבי ובעיקר על המבנה השלישוני של החלבון. המטען החשמלי של היון מגדיל באופן ניכר את הקוטביות של השייר האמיני אליו הוא נוסף. כך גדלה ההידרופיליות של השייר ומסיסותו במים ובחומרים קוטביים אחרים משתפרת. זירחון שיירים באתרי מפתח לאורך החלבון עשוי לשנות את הקיפול המרחבי שלו וכך להשמיש או להשבית אותו.
לדוגמה, גורם השעתוק p53 ממלא תפקיד מרכזי בדיכוי תהליכים סרטניים בעקבות נזק למולקולות DNA. הגורם מגביר את ביטויים של גנים המעכבים את מחזור התא ועשויים אף להביא למותו. לאור זאת פעילותו של p53 מזיקה לתא הבריא ויש להגבילה למקרים הקשים בהם היא נחוצה. בהתאמה, כדי להפעיל את p53 יש לזרחן 18 אתרים שונים על פניו, קרי 18 שיירים אמיניים מוגדרים. כך קטנה ההסתברות להפעלתו של p53 בשוגג.
סרין היא חומצת האמינו המזורחנת באופן השכיח ביותר ואחריה תראונין. זרחון טירוזין הוא נדיר יחסית, אך קל יותר לזיהוי באמצעות נוגדנים מתאימים. לכן, קיימת הבנה טובה יחסית של אתרי זירחון טירוזין. ביצורים פרוקריוטיים מבוצע גם זירחון של היסטידין וחומצה אספרטית, כחלק מתהליך איתות דו-מרכיבי.

רשתות איתות

חלבונים עשויים לזרחן אלה את אלה באופן סבוך למדי. בכמה מסלולי איתות תאיים, חלבון א' מזרחן את חלבונים ב' וג', בעוד חלבון ב' מזרחן את חלבונים ג' וד' וזה האחרון מזרחן את חלבון א'. כך נוצרות לולאות היזון חוזר (משוב) והיזון קדמי המאפשרות לממש פעולות בוליאניות, בדומה לתפקידם של שערים לוגיים במעגלים חשמליים. קצב הזירחון מהיר באלפי מונים מתהליכי שעתוק ותרגום, לכן רשתות איתות זרחוניות מגיבות מהר יותר לשינויים מאשר רשתות בקרה גנטיות. במקרים רבים קיימים קשרי גומלין בין רשתות זירחון לרשתות שעתוק, כאשר תגובות הזירחון המהירות מאפשרות בקרה עדינה יותר של תהליך השעתוק.
במעגלי בקרה המתבססים על זירחון נמצא לרוב פעילות בו-זמנית של אנזימי קינאז ופוספטאז, המבצעים הוספה והסרה של קבוצות זרחה מאותם חלבונים. מעגל בקרה שכזה מווסת את הנהירה הכימית של חיידקי E. coli לעבר מזון והרחק מרעלים. במעגל זה, חלבון CheY מזורחן הנקשר למנוע השוטון מגדיל את ההסתברות לשינוי מגמת הסיבוב של המנוע. במצב מתמיד מתקזזת פעילות האנזימים המוסיפים או מסירים את קבוצת הזרחה מ-CheY, כך שריכוז החלבון המזורחן לא משתנה בממוצע. כאשר קולטנים מתאימים בחיידק חשים במולקולות מזון, הם מחלישים את פעילות אנזימי הקינאז המזרחנים את CheY, כך שריכוז החלבון המזורחן הולך ויורד. כתוצאה מכך משנה החיידק את כיוון תנועתו בתכיפות נמוכה יותר ומגיע מהר יותר אל מקור המזון.
אפיון וניתוח רשתות איתות זירחוניות מחייב מדידות כמותיות של שיעור החלבון המזורחן לדרגותיו השונות, למשל בעזרת ספקטרומטר מסות. הענף במדעי החלבונות (פרוטאומיקה) האמון על מדידות אלה נקרא "זרחלבונות" (פוספופרוטאומיקה). באחד המחקרים נמצא למשל כי גורם הגדילה EGF משפיע על הזירחון של למעלה מששת אלפים אתרי זירחון שונים.

היסטוריה

בשנת 1906 זיהה הביוכימאי היהודי פובוס לוין (Phoebus Aaron Theodore Levene) קבוצת זרחה בחלבון ויטלוגנין (Vitellogenin). בשנת 1933 מצאו לוין ופריץ ליפמן שייר סרין מזורחן באותו חלבון. זרחון אנזימטי של חלבונים תואר לראשונה רק בשנת 1954 על ידי ג'ורג' ברנט ויוג'ין קנדי.