結構生物化學/酶調控/磷酸化
磷酸化是調節蛋白質的一種有效方法。真核細胞中約 30% 的蛋白質被磷酸化。負責這些反應的酶被稱為蛋白激酶。酵母中有約 100 種同源蛋白激酶，而人類有約 500 種。當 ATP 在試管中水解時，釋放的自由能只會加熱周圍的水。在生物體中，這種熱量產生有時是有益的。例如，發抖的過程在肌肉收縮過程中使用 ATP 水解來產生熱量並溫暖身體。然而，在細胞中的大多數情況下，僅僅產生熱量將是寶貴能源資源的低效使用。相反，在特定酶的幫助下，細胞能夠透過將一個磷酸基團從 ATP 轉移到另一個分子（例如反應物）上來將 ATP 水解的能量直接耦合到吸能過程。接受磷酸基團的分子然後被認為是磷酸化的。耦合放能和吸能反應的關鍵在於這種磷酸化中間體的形成，這種中間體比原始未磷酸化的分子更具反應性。
磷酸化必須存在 ATP，因為它需要作為供體。ATP 的磷酸基團之一被轉移到特定的氨基酸。受體是三個側鏈具有羥基的氨基酸之一：絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸。酪氨酸由與另外兩種不同的蛋白激酶處理。下面的反應顯示了 ATP 如何將一個磷酸基團捐贈給磷酸化的蛋白質。
蛋白質磷酸酶透過催化與蛋白質相連的磷酸基團的去除來逆轉激酶的作用。該酶水解並斷裂連線磷酸基團的鍵。
重要的是要注意，磷酸化和去磷酸化反應並非彼此的逆反應。前者透過蛋白激酶和 ATP 裂解的作用發生，而後者只有在存在磷酸酶的情況下才會發生。
1) 磷酸基團為蛋白質添加了兩個負電荷。這些變化會改變底物結合和催化活性。
2) 磷酸基團可以形成 3 個或更多個氫鍵，並且可以是四面體。
3) 磷酸化的自由能非常大。因此，它可以改變平衡一個很大的因素。
4) 磷酸化和去磷酸化在不到一秒或數小時內發生。
5) 磷酸化產生高度放大的效應。一個激酶在短時間內改變數百個靶蛋白。
6) 磷酸化是不可逆的。
7) ATP 是所需的能量，因此它將該過程與生物能量學聯絡起來。
磷酸化透過調節胰島素、水分平衡和細胞穩態對細胞的調節很重要。AKT（蛋白激酶 B）的 GSK-3 酶調節胰島素通路。Na+/K+ ATP 酶調節細胞的水分平衡和穩態。
蛋白激酶 A (PKA) 是一種受環腺苷酸 (cAMP) 調節的酶。這在“戰鬥或逃跑反應”中很常見。激素腎上腺素 訊號合成環腺苷酸，隨後啟用蛋白激酶 A。激酶透過磷酸化絲氨酸 和蘇氨酸 來調節靶蛋白。PKA 只有在 cAMP 結合到調節亞基後才會被啟用。這阻止了對 PKA 的抑制。該複合物 (R2C2) 具有佔據 PKA 活性位點的 R 的假底物序列。當 cAMP 結合時，R 鏈移動，因此不再抑制活性位點。R 鏈具有序列 Arg- Arg- Gly- Ala- Ile。
上圖顯示了 cAMP 一旦結合到結合位點，假序列就不再阻斷 PKA 的活性位點。這就是PKA 的調節方式。
蛋白激酶 A 全酶是由兩種型別的亞基組成的異四聚體：1) 催化亞基，其中包含酶的活性位點。它還包含一個結合 ATP（磷酸來源）的域和一個結合調節亞基的域。2) 調節亞基，它由兩個這種亞基的分子組成，以反平行方向相互結合形成同二聚體；對於 I 型亞基，這種結合是透過二硫鍵共價進行的。該亞基還具有兩個結合環腺苷酸的域，一個與催化亞基相互作用的域，以及一個作為催化亞基的底物或假底物的抑制域。調節亞基還可以調節催化亞基的活性。
調節活性：環腺苷酸的細胞內濃度提供了一種非常簡單的控制機制，用於控制蛋白激酶 A 的活性。
在環腺苷酸水平較低的情況下，催化亞基與調節亞基二聚體結合並且不活躍。當環腺苷酸濃度升高到 ~10nM 及以上時，它會結合到調節亞基，這會導致構象發生變構變化，從而導致催化亞基的釋放。遊離的催化亞基具有活性並開始磷酸化其靶標。
糖原 是多糖葡萄糖。它在動物細胞中充當短期能量儲存。葡萄糖是一種單糖，是生物學中重要的碳水化合物。它被細胞用作能量來源和代謝中間體。
磷酸化酶透過以下反應催化糖原和葡萄糖-1-磷酸的相互轉化：
糖原 + Pi --> 糖原 + 葡萄糖-1-磷酸
其中葡萄糖-1-磷酸 然後被磷酸葡萄糖變位酶 轉化為葡萄糖-6-磷酸，因為葡萄糖-1-磷酸異構體不容易代謝，而葡萄糖-6-磷酸充當糖酵解 和戊糖磷酸途徑 的燃料。
磷酸化酶活性受可逆磷酸化的調節。磷酸化酶 a 是活性形式，而磷酸化酶 b 是非活性形式。
由缺陷酶引起的代謝疾病的一個例子是拉福拉病。拉福拉病，以岡薩洛·拉福拉博士的名字命名，是一種由控制磷酸化的缺陷酶引起的代謝紊亂。它是一種神經退行性疾病，是由細胞質中積累的不可溶性葡聚糖引起的。葡聚糖是一種由葡萄糖透過糖苷鍵連線而成的複雜碳水化合物。拉福拉病不僅會導致癲癇，還會導致進行性中樞神經系統退化。這最終會導致患者死亡。據認為，細胞質脂滴 (LB) 的積累會引發神經元細胞死亡和癲癇發作。
人們認識到，在近一半的拉福拉病病例中，EPM2A（癲癇，進行性肌陣攣 2A）基因發生了突變。EPM2A 基因編碼稱為拉福林的雙模組蛋白。拉福林與調節糖原代謝有關。糖原儲存長期能量。此外，大約 20% 的拉福拉病病例是 EPM2B（癲癇，進行性肌陣攣 2B）基因突變的結果，該基因編碼稱為馬林的蛋白質。馬林與結合、泛素化和促進拉福林降解有關。
已經確定細胞質中積累的不可溶性葡聚糖會導致拉福拉病，儘管這種疾病的分子原因仍然未知。這是因為拉福林的功能尚不清楚，因為它 的底物尚未確定。有各種假設，但一個突出的假設是拉福林在合成時會去磷酸化糖原分子。如果沒有拉福林，糖原代謝會導致略微磷酸化的葡聚糖，最終會導致拉福拉小體。另一個假設是拉福林將馬林募集到糖原合成部位。馬林透過泛素化針對糖原（PTG）的蛋白、糖原合酶 (GS)、糖原脫支酶 (GDE) 和拉福林來調節糖原的合成，以抑制 LB 的形成。