Войти
Примером фосфорилирования на уровне субстрата является превращение АДФ в АТФ. Фосфорилирование на уровне субстрата - это реакция метаболизма, которая приводит к выработке АТФ или ГТФ путем переноса фосфатной группы с субстрата непосредственно на АДФ или GDP. Переход от более высокой энергии (независимо от того, присоединена ли фосфатная группа) к более низкоэнергетическому продукту. Этот процесс использует часть высвободившейся химической энергии, свободной энергии Гиббса, для передачи фосфорильной (PO 3) группы к АДФ или GDP от другого фосфорилированного соединения. Происходит при гликолизе и в цикле лимонной кислоты.
В отличие от окислительного фосфорилирования, окисление и фосфорилирование не связаны в процессе фосфорилирования на уровне субстрата, и реакционноспособные промежуточные соединения чаще всего образуются в ходе окислительных процессов при катаболизме. Большая часть АТФ образуется в результате окислительного фосфорилирования при аэробном или анаэробном дыхании, в то время как фосфорилирование на уровне субстрата обеспечивает более быстрый и менее эффективный источник АТФ, независимо от внешних акцепторов электронов. Так обстоит дело с эритроцитами человека, у которых нет митохондрий, и с мышцами с дефицитом кислорода.
Аденозинтрифосфат - основная «энергетическая валюта» клетки. Высокоэнергетические связи между фосфатными группами могут быть разорваны для обеспечения различных реакций, используемых во всех аспектах функционирования клетки.
Фосфорилирование на уровне субстрата происходит в цитоплазме клеток во время гликолиза и в митохондриях либо во время цикла Кребса, либо под действием 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 погашения гликолиза сеть из 2 АТФ продуцируется фосфорилированием на уровне субстрата.
Первое фосфорилирование на уровне субстрата происходит после превращения 3-фосфоглицеральдегида и Pi и NAD + в 1,3-бисфосфоглицерат через глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназу. Затем 1,3-бисфосфоглицерат дефосфорилируется через фосфоглицераткиназу, образуя 3-фосфоглицерат и АТФ за счет фосфорилирования на уровне субстрата.
Фосфорилирование второго уровня субстрата происходит путем дефосфорилирования фосфоенолпирувата, катализируемого пируваткиназой, с образованием пирувата и АТФ.
Во время подготовительной фазы каждая молекула глюкозы с 6 атомами углерода разбивается на две молекулы с 3 атомами углерода. Таким образом, при гликолизе дефосфорилирование приводит к образованию 4 АТФ. Однако предыдущая подготовительная фаза потребляет 2 АТФ, поэтому чистый выход при гликолизе составляет 2 АТФ. Также продуцируются 2 молекулы НАДН, которые могут использоваться при окислительном фосфорилировании для выработки большего количества АТФ.
АТФ может генерироваться фосфорилированием 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-CoA лигазы, либо монофункциональной C1-тетрагидрофолатсинтазы.
Считается, что митохондриальная фосфоенолпируваткарбоксикиназа участвует в передаче потенциала фосфорилирования от матрикса к цитозолю и наоборот. Тем не менее, он сильно способствует гидролизу GTP, поэтому на самом деле он не считается важным источником фосфорилирования на уровне субстрата внутри митохондрий.
Сукцинат-КоА-лигаза представляет собой гетеродимер, состоящий из инвариантной α-субъединицы и субстрат-специфической β-субъединицы, кодируемой SUCLA2 или SUCLG2. Эта комбинация приводит либо к ADP-образующей сукцинат-CoA лигазе (A-SUCL, EC 6.2.1.5), либо к GDP-образующей сукцинат-CoA лигазе (G-SUCL, EC 6.2.1.4). АДФ-образующая сукцинат-КоА лигаза потенциально является единственным матричным ферментом, генерирующим АТФ в отсутствие движущей силы протонов, способным поддерживать уровни АТФ в матриксе в условиях ограниченной энергии, таких как временная гипоксия.
Этот фермент кодируется MTHFD1L и обратимо взаимно превращает АДФ + фосфат + 10-формилтетрагидрофолат в АТФ + формиат + тетрагидрофолат.
В работающих скелетных мышцах и головном мозге фосфокреатин хранится в виде легкодоступного высокоэнергетического источника фосфата, а фермент креатинфосфокиназа переносит фосфат от фосфокреатина к 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 за счет фосфорилирования на уровне субстрата в матриксе важно не только как средство получения энергии, но и для предотвращения перегрузки митохондриями гликолитических резервов АТФ, поддерживая транслокатор адениновых нуклеотидов в «прямом режиме», переносящий АТФ в направлении тела. цитозоль.
Альтернативный метод, используемый для создания АТФ, - это окислительное фосфорилирование, которое происходит во время клеточного дыхания. В этом процессе используется окисление NADH до NAD + с образованием 3 АТФ и FADH 2 до FAD с образованием 2 АТФ. Потенциальная энергия сохраняется как электрохимического градиента протонов (H +) через внутреннюю мембрану митохондрий требуется для генерации АТФ из АДФ и Р я (неорганические молекулы фосфата), основное отличие от подложки уровня фосфорилирования. Этот градиент используется АТФ-синтазой, действующей как пора, позволяя H + из митохондриального межмембранного пространства двигаться вниз по своему электрохимическому градиенту в матрицу и связывая высвобождение свободной энергии с синтезом АТФ. И наоборот, перенос электронов обеспечивает энергию, необходимую для активной откачки H + из матрицы.
