זרחון

זִרְחוּן (או פוספורילציה) הוא הוספת קבוצת זרחה (   P O 4 − 3 {\displaystyle \ PO_{4}^{-3}} , יון המכיל אטום זרחן אחד וארבעה אטומי חמצן) למולקולה נתונה. אנזימי קינאז מוסיפים קבוצות זרחה ואנזימי פוספטאז מסירים אותן. סימון מולקולות באמצעות זרחון משמש לבקרה על מגוון עצום של תהליכים בתאים חיים. בהתאם לחשיבות הביולוגית של תהליכי זרחון, הם מהווים כר פורה למחקר מדעי. נכון לחודש יולי 2018 מנה מסד הנתונים PubMed כשלוש מאות אלף מאמרים המזכירים את המונח זרחון, רובם בהקשר לזרחון חלבונים. זרחון 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. הזרחון 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. זרחון 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 זרחון טירוזין. ביצורים פרוקריוטיים מבוצע גם זרחון של היסטידין וחומצה אספרטית, כחלק מתהליך איתות דו-מרכיבי. 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 הזרחון מהיר באלפי מונים מתהליכי שעתוק ותרגום, לכן רשתות איתות זירחוניות מגיבות מהר יותר לשינויים מאשר רשתות בקרה גנטיות. במקרים רבים קיימים קשרי גומלין בין רשתות זרחון לרשתות שעתוק, כאשר תגובות הזרחון המהירות מאפשרות בקרה עדינה יותר של תהליך השעתוק. במעגלי בקרה המתבססים על זרחון 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 הזרחון של למעלה מששת אלפים אתרי זרחון שונים. מעריכים כי בכל תא חי קיימים אלפי אתרי זרחון, בהתאם לאומדן הבא: קיימים אלפי סוגים שונים של חלבונים בכל סוג תא נתון. מעריכים כי בין עשירית למחצית מסוגי החלבונים עוברים זרחון כזה או אחר. חלבון העובר זרחון מכיל לרוב מספר אתרי זרחון נבדלים. כדי להבין באיזה "מצב" נמצא התא ברגע נתון, יש למדוד את "מצב הזרחון" של חלבוניו. לדוגמה, האנזים AKT1 נעשה פעיל כשחומצת האמינו מס' 473 לאורך השרשרת הפפטידית המרכיבה אותו, סרין-473 (S473), עוברת זרחון. ניתן להיעזר בנוגדנים ייעודיים הנקשרים לאנזים בזיקה שונה לפי מצב הזרחון שלו. כיום זמינים מאות נוגדנים הבררניים למצב הזרחון של חלבונים שונים. לנוגדנים אלה חשיבות מרכזית הן במחקר בסיסי והן באבחון קליני. 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. המולקולה ATP, המשמשת "מטבע אנרגיה" בכל היצורים החיים, אינה אלא מולקולת ADP מזורחנת. לשם הפקת ATP, ליצירת אנרגיה הזמינה לתהליכים שונים בתא, יש אפוא לזרחן מולקולת ADP. קיימות בתאים שתי גישות לתהליך זה. הראשונה, בה קבוצת הזרחה מועברת ישירות מחומר ביניים הנושא אותה אל מולקולת ה-ADP, לקבלת ATP, מכונה זרחון ברמת המצע (סובטרט). שני תהליכים שונים נעזרים בגישה זו לביצוע זרחון : תהליך הגליקוליזה בפלזמת התא, בו מוסרת קבוצת הזרחה משתי מולקולות ATP, לשחרור האנרגיה הדרושה לפירוק מולקולת גלוקוז, שבתורו מאפשר זרחון 4 מולקולות ADP. מעגל קרבס באברוני המיטוכונדריה. הגישה האחרת מכונה זרחון חמצוני. תהליך זה מבוצע ברובו על ידי מכלול חלבוני בשם ATP סינתטאז, הטובל בקרום הפנימי של המיטוכונדריון. ה-ATP סינתטאז מצרף קבוצות זרחה חופשיות למולקולות ADP, על בסיס האנרגיה הפוטנציאלית המנוצלת במעבר פרוטונים (יוני מימן) דרכו. ניתן לדמות מכלול זה לתחנת כוח הידרואלקטרית הממירה מפלי ריכוזים, השקולים לפי משוואת נרנסט להפרש פוטנציאל חשמלי, לאנרגיה כימית. משאבות פרוטונים הן שיוצרות את מפלי ריכוזי הפרוטונים, כך שלפי אותו דימוי מפיק המכלול "מטבעות אנרגיה" מאנרגיה שאובה. שלבים אלה הם תכליתו של תהליך הנשימה התאית וחלקם חיוניים לתפקוד בכל התאים. תהליך דומה לזרחון החמצוני הוא זרחון באור (Photophosphorylation). התהליך מתרחש בכלורופלסט בצמחים (ובאצות מסוימות) כחלק מתהליך הפוטוסינתזה ובו אור השמש משמש מקור אנרגיה לזרחון מולקולות ADP, גם כן תוך פעפוע יוני מימן דרך מכלול ה-ATP סינתטאז. זרחון פחמימות הוא בדרך כלל השלב הראשון בפירוקן. הזרחון מונע מהפחמימות לחזור על עקבותיהן דרך הנשא החלבוני המוביל אותן אל תוך התא, וכך מבטיח שפירוק הפחמימות יושלם בתא והפחמימות לא תצאנה אל מחוץ לו. מיתול מדיה וקבצים בנושא זרחון בוויקישיתוף Mammalian Phosphorylation Resource - מאגר מידע על נוגדנים לאתרי זרחון יונקיים deltaMasses - תוכנה לזיהוי ואיתור אתרים מזורחנים לאחר ספקטרומטריית מסות זרחון, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) זרחון, דף שער בספרייה הלאומית Goto et al., Functional analyses for site-specific phosphorylation of a target protein in cells, Nature Protocols זִרְחוּן במילון ביולוגיה כללית (תשס"ט), 2009, באתר האקדמיה ללשון העברית אורי אלון, An Introduction to Systems Biology: Design Principles of Biological Circuits, 2006 ISBN 9781584886426 Burnett G. & Kennedy E.P.,The enzymatic phosphorylation of proteins, J Biol Chem. 1954 Dec;211(2):969-80 Peter Dimroth, Christoph von Ballmoos, and T Meier, Catalytic and mechanical cycles in F-ATP synthases: Fourth in the Cycles Review Series, EMBO Rep. 2006 March; 7(3): 276–282. PMID 16607397 (Free Access)