Фосфорилирование на уровне субстрата — это реакция метаболизма, которая приводит к выработке АТФ или ГТФ , поддерживаемой энергией, высвобождаемой из другой высокоэнергетической связи, что приводит к фосфорилированию АДФ или ВВП до АТФ или ГТФ (обратите внимание, что реакция, катализируемая креатинкиназой, не рассматривается как «фосфорилирование на уровне субстрата»). В этом процессе используется часть высвободившейся химической энергии , свободной энергии Гиббса , для переноса фосфорильной группы (PO 3 ) в ADP или GDP. Происходит при гликолизе и в цикле лимонной кислоты. [1]
В отличие от окислительного фосфорилирования , окисление и фосфорилирование не связаны в процессе субстратного фосфорилирования, и реакционноспособные интермедиаты чаще всего образуются в ходе окислительных процессов при катаболизме . Большая часть АТФ генерируется путем окислительного фосфорилирования при аэробном или анаэробном дыхании, тогда как фосфорилирование на уровне субстрата обеспечивает более быстрый и менее эффективный источник АТФ, независимый от внешних акцепторов электронов . Так обстоит дело с эритроцитами человека , у которых нет митохондрий , и с обедненными кислородом мышцами.
Аденозинтрифосфат (АТФ) является основной «энергетической валютой» клетки. [2] Высокоэнергетические связи между фосфатными группами могут быть разорваны, что приводит в действие множество реакций, используемых во всех аспектах клеточного функционирования. [3]
Фосфорилирование на уровне субстрата происходит в цитоплазме клеток во время гликолиза и в митохондриях либо во время цикла Кребса , либо с помощью MTHFD1L (EC 6.3.4.3), фермента, взаимно превращающего АДФ + фосфат + 10-формилтетрагидрофолат в АТФ + формиат + тетрагидрофолат (обратимо), как в аэробных , так и в анаэробных условиях. В фазе гликолиза в результате фосфорилирования на уровне субстрата образуется всего 2 АТФ.
Первое фосфорилирование на уровне субстрата происходит после превращения 3-фосфоглицеральдегида, Pi и НАД+ в 1,3-бисфосфоглицерат посредством глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы . Затем 1,3-бисфосфоглицерат дефосфорилируется с помощью фосфоглицераткиназы , образуя 3-фосфоглицерат и АТФ посредством фосфорилирования на уровне субстрата.
Второе фосфорилирование на уровне субстрата происходит путем дефосфорилирования фосфоенолпирувата , катализируемого пируваткиназой , с образованием пирувата и АТФ.
На подготовительном этапе каждая шестиуглеродная молекула глюкозы расщепляется на две трехуглеродные молекулы. Таким образом, в результате дефосфорилирования гликолиза образуется 4-АТФ. Однако на предшествующей подготовительной фазе расходуется 2 АТФ, поэтому чистый выход гликолиза составляет 2 АТФ. Также образуются 2 молекулы НАДН, которые можно использовать при окислительном фосфорилировании для получения большего количества АТФ.
АТФ может генерироваться путем фосфорилирования на уровне субстрата в митохондриях по пути, который не зависит от движущей силы протонов . В матрице есть три реакции, способные к фосфорилированию на уровне субстрата, с использованием либо фосфоенолпируваткарбоксикиназы , либо сукцинат-КоА-лигазы , либо монофункциональной C1-тетрагидрофолатсинтазы .
Считается, что митохондриальная фосфоенолпируваткарбоксикиназа участвует в переносе потенциала фосфорилирования из матрикса в цитозоль и наоборот. [4] [5] [6] [7] [8] Однако он сильно способствует гидролизу ГТФ, поэтому на самом деле он не считается важным источником внутримитохондриального фосфорилирования на уровне субстрата.
Сукцинат-КоА-лигаза представляет собой гетеродимер, состоящий из инвариантной α-субъединицы и субстрат-специфической β-субъединицы, кодируемой либо SUCLA2, либо SUCLG2. Эта комбинация приводит либо к АДФ-образующей сукцинат-КоА-лигазе (A-SUCL, EC 6.2.1.5), либо к GDP-образующей сукцинат-КоА-лигазе (G-SUCL, EC 6.2.1.4). АДФ-образующая сукцинат-КоА-лигаза потенциально является единственным ферментом матрикса, генерирующим АТФ в отсутствие движущей силы протонов, способным поддерживать уровни матриксного АТФ в условиях ограниченной энергии, таких как временная гипоксия .
Этот фермент кодируется MTHFD1L и обратимо превращает АДФ + фосфат + 10-формилтетрагидрофолат в АТФ + формиат + тетрагидрофолат.
В работающих скелетных мышцах и мозге фосфокреатин хранится в виде легкодоступного высокоэнергетического источника фосфата, а фермент креатинфосфокиназа переносит фосфат из фосфокреатина в АДФ для производства АТФ. Затем высвобождается АТФ, давая химическую энергию. Иногда это ошибочно считают фосфорилированием на уровне субстрата, хотя это трансфосфорилирование .
Во время аноксии обеспечение АТФ путем фосфорилирования на уровне субстрата в матриксе важно не только как простой источник энергии, но и для предотвращения перегрузки митохондриями гликолитических резервов АТФ путем поддержания адениннуклеотидного транслокатора в «прямом режиме», перенося АТФ в сторону цитозоль. [9] [10] [11]
Альтернативный метод создания АТФ – окислительное фосфорилирование , которое происходит во время клеточного дыхания . В этом процессе используется окисление НАДН до НАД + с образованием 3 АТФ и ФАДН 2 до ФАД с образованием 2 АТФ. Потенциальная энергия , запасенная в виде электрохимического градиента протонов (H + ) через внутреннюю митохондриальную мембрану, необходима для генерации АТФ из АДФ и P i (молекулы неорганического фосфата), что является ключевым отличием от фосфорилирования на уровне субстрата. Этот градиент используется АТФ-синтазой, действующей как пора, позволяя H + из митохондриального межмембранного пространства перемещаться вниз по своему электрохимическому градиенту в матрикс и связывая высвобождение свободной энергии с синтезом АТФ. И наоборот, перенос электронов обеспечивает энергию, необходимую для активной выкачки H + из матрицы.
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)