结构生物化学/酶调控/磷酸化
磷酸化是调节蛋白质的一种有效方法。真核细胞中约 30% 的蛋白质被磷酸化。负责这些反应的酶被称为蛋白激酶。酵母中有约 100 种同源蛋白激酶，而人类有约 500 种。当 ATP 在试管中水解时，释放的自由能只会加热周围的水。在生物体中，这种热量产生有时是有益的。例如，发抖的过程在肌肉收缩过程中使用 ATP 水解来产生热量并温暖身体。然而，在细胞中的大多数情况下，仅仅产生热量将是宝贵能源资源的低效使用。相反，在特定酶的帮助下，细胞能够通过将一个磷酸基团从 ATP 转移到另一个分子（例如反应物）上来将 ATP 水解的能量直接耦合到吸能过程。接受磷酸基团的分子然后被认为是磷酸化的。耦合放能和吸能反应的关键在于这种磷酸化中间体的形成，这种中间体比原始未磷酸化的分子更具反应性。
磷酸化必须存在 ATP，因为它需要作为供体。ATP 的磷酸基团之一被转移到特定的氨基酸。受体是三个侧链具有羟基的氨基酸之一：丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸。酪氨酸由与另外两种不同的蛋白激酶处理。下面的反应显示了 ATP 如何将一个磷酸基团捐赠给磷酸化的蛋白质。
蛋白质磷酸酶通过催化与蛋白质相连的磷酸基团的去除来逆转激酶的作用。该酶水解并断裂连接磷酸基团的键。
重要的是要注意，磷酸化和去磷酸化反应并非彼此的逆反应。前者通过蛋白激酶和 ATP 裂解的作用发生，而后者只有在存在磷酸酶的情况下才会发生。
1) 磷酸基团为蛋白质添加了两个负电荷。这些变化会改变底物结合和催化活性。
2) 磷酸基团可以形成 3 个或更多个氢键，并且可以是四面体。
3) 磷酸化的自由能非常大。因此，它可以改变平衡一个很大的因素。
4) 磷酸化和去磷酸化在不到一秒或数小时内发生。
5) 磷酸化产生高度放大的效应。一个激酶在短时间内改变数百个靶蛋白。
6) 磷酸化是不可逆的。
7) ATP 是所需的能量，因此它将该过程与生物能量学联系起来。
磷酸化通过调节胰岛素、水分平衡和细胞稳态对细胞的调节很重要。AKT（蛋白激酶 B）的 GSK-3 酶调节胰岛素通路。Na+/K+ ATP 酶调节细胞的水分平衡和稳态。
蛋白激酶 A (PKA) 是一种受环腺苷酸 (cAMP) 调节的酶。这在“战斗或逃跑反应”中很常见。激素肾上腺素 信号合成环腺苷酸，随后激活蛋白激酶 A。激酶通过磷酸化丝氨酸 和苏氨酸 来调节靶蛋白。PKA 只有在 cAMP 结合到调节亚基后才会被激活。这阻止了对 PKA 的抑制。该复合物 (R2C2) 具有占据 PKA 活性位点的 R 的假底物序列。当 cAMP 结合时，R 链移动，因此不再抑制活性位点。R 链具有序列 Arg- Arg- Gly- Ala- Ile。
上图显示了 cAMP 一旦结合到结合位点，假序列就不再阻断 PKA 的活性位点。这就是PKA 的调节方式。
蛋白激酶 A 全酶是由两种类型的亚基组成的异四聚体：1) 催化亚基，其中包含酶的活性位点。它还包含一个结合 ATP（磷酸来源）的域和一个结合调节亚基的域。2) 调节亚基，它由两个这种亚基的分子组成，以反平行方向相互结合形成同二聚体；对于 I 型亚基，这种结合是通过二硫键共价进行的。该亚基还具有两个结合环腺苷酸的域，一个与催化亚基相互作用的域，以及一个作为催化亚基的底物或假底物的抑制域。调节亚基还可以调节催化亚基的活性。
调节活性：环腺苷酸的细胞内浓度提供了一种非常简单的控制机制，用于控制蛋白激酶 A 的活性。
在环腺苷酸水平较低的情况下，催化亚基与调节亚基二聚体结合并且不活跃。当环腺苷酸浓度升高到 ~10nM 及以上时，它会结合到调节亚基，这会导致构象发生变构变化，从而导致催化亚基的释放。游离的催化亚基具有活性并开始磷酸化其靶标。
糖原 是多糖葡萄糖。它在动物细胞中充当短期能量储存。葡萄糖是一种单糖，是生物学中重要的碳水化合物。它被细胞用作能量来源和代谢中间体。
磷酸化酶通过以下反应催化糖原和葡萄糖-1-磷酸的相互转化：
糖原 + Pi --> 糖原 + 葡萄糖-1-磷酸
其中葡萄糖-1-磷酸 然后被磷酸葡萄糖变位酶 转化为葡萄糖-6-磷酸，因为葡萄糖-1-磷酸异构体不容易代谢，而葡萄糖-6-磷酸充当糖酵解 和戊糖磷酸途径 的燃料。
磷酸化酶活性受可逆磷酸化的调节。磷酸化酶 a 是活性形式，而磷酸化酶 b 是非活性形式。
由缺陷酶引起的代谢疾病的一个例子是拉福拉病。拉福拉病，以冈萨洛·拉福拉博士的名字命名，是一种由控制磷酸化的缺陷酶引起的代谢紊乱。它是一种神经退行性疾病，是由细胞质中积累的不可溶性葡聚糖引起的。葡聚糖是一种由葡萄糖通过糖苷键连接而成的复杂碳水化合物。拉福拉病不仅会导致癫痫，还会导致进行性中枢神经系统退化。这最终会导致患者死亡。据认为，细胞质脂滴 (LB) 的积累会引发神经元细胞死亡和癫痫发作。
人们认识到，在近一半的拉福拉病病例中，EPM2A（癫痫，进行性肌阵挛 2A）基因发生了突变。EPM2A 基因编码称为拉福林的双模块蛋白。拉福林与调节糖原代谢有关。糖原储存长期能量。此外，大约 20% 的拉福拉病病例是 EPM2B（癫痫，进行性肌阵挛 2B）基因突变的结果，该基因编码称为马林的蛋白质。马林与结合、泛素化和促进拉福林降解有关。
已经确定细胞质中积累的不可溶性葡聚糖会导致拉福拉病，尽管这种疾病的分子原因仍然未知。这是因为拉福林的功能尚不清楚，因为它 的底物尚未确定。有各种假设，但一个突出的假设是拉福林在合成时会去磷酸化糖原分子。如果没有拉福林，糖原代谢会导致略微磷酸化的葡聚糖，最终会导致拉福拉小体。另一个假设是拉福林将马林募集到糖原合成部位。马林通过泛素化针对糖原（PTG）的蛋白、糖原合酶 (GS)、糖原脱支酶 (GDE) 和拉福林来调节糖原的合成，以抑制 LB 的形成。