Fosforylering på substratniveau - Substrate-level phosphorylation
Fosforylering på substratniveau er en metabolisme-reaktion, der resulterer i produktion af ATP eller GTP ved overførsel af en fosfatgruppe fra et substrat direkte til ADP eller BNP . Overførsel fra en højere energi (uanset om den er fosfatgruppe fastgjort eller ej) til et produkt med lavere energi. Denne proces bruger noget af den frigivne kemiske energi , Gibbs gratis energi , til at overføre en phosphoryl (PO 3 ) gruppe til ADP eller BNP fra en anden phosphoryleret forbindelse. Forekommer i glykolyse og i citronsyrecyklussen.
I modsætning til oxidativ phosphorylering er oxidation og phosphorylering ikke koblet i processen med phosphorylering på substratniveau, og reaktive mellemprodukter opnås oftest i løbet af oxidationsprocesser i katabolisme . De fleste ATP genereres ved oxidativ phosphorylering i aerob eller anaerob respiration, mens phosphorylering på substratniveau giver en hurtigere, mindre effektiv kilde til ATP, uafhængigt af eksterne elektronacceptorer . Dette er tilfældet i menneskelige erytrocytter , som ikke har mitokondrier , og i iltforarmet muskel.
Oversigt
Adenosintrifosfat er en vigtig "energivaluta" for cellen. Højenergibindingerne mellem fosfatgrupperne kan brydes for at drive en række forskellige reaktioner, der bruges i alle aspekter af cellefunktion.
Fosforylering på substratniveau forekommer i cellens cytoplasma under glykolyse og i mitokondrier enten under Krebs-cyklussen eller ved MTHFD1L ( EC 6.3.4.3 ), et enzym, der omdanner ADP + phosphat + 10-formyltetrahydrofolat til ATP + formiat + tetrahydrofolat (reversibelt), under både aerobe og anaerobe forhold. I glykolysens udbetalingsfase produceres et netto på 2 ATP ved phosphorylering på substratniveau.
Glykolyse
Den første phosphorylering på substratniveau sker efter omdannelsen af 3-phosphoglyceraldehyd og Pi og NAD+ til 1,3-bisphosphoglycerat via glyceraldehyd-3-phosphatdehydrogenase . 1,3-bisphosphoglycerat dephosphoryleres derefter via phosphoglyceratkinase og producerer 3-phosphoglycerat og ATP gennem en phosphorylering på substratniveau.
Den anden substrat-niveau phosphorylering sker ved dephosphorylering af phosphoenolpyruvat , katalyseret af pyruvatkinase , der producerer pyruvat og ATP.
Under den forberedende fase brydes hvert 6-kulstof glukosemolekyle i to 3-kulstofmolekyler. I glykolyse resulterer dephosphorylering således i produktionen af 4 ATP. Den tidligere forberedende fase bruger imidlertid 2 ATP, så nettoudbyttet i glykolyse er 2 ATP. 2 NADH -molekyler produceres også og kan bruges til oxidativ phosphorylering for at generere mere ATP.
Mitokondrier
ATP kan genereres ved phosphorylering på substratniveau i mitokondrier i en vej, der er uafhængig af protonens drivkraft . I matrixen er der tre reaktioner i stand til phosphorylering på substratniveau ved anvendelse af enten phosphoenolpyruvatcarboxykinase eller succinat-CoA-ligase eller monofunktionel C1-tetrahydrofolatsyntase .
Phosphoenolpyruvat carboxykinase
Mitokondrielt phosphoenolpyruvatcarboxykinase menes at deltage i overførslen af phosphoryleringspotentialet fra matricen til cytosolen og omvendt. Det er imidlertid stærkt begunstiget over for GTP-hydrolyse, og derfor betragtes det ikke rigtig som en vigtig kilde til intra-mitokondrielt substrat-niveau phosphorylering.
Succinat-CoA ligase
Succinat-CoA-ligase er en heterodimer sammensat af en invariant a-underenhed og en substratspecifik ß-underenhed, der kodes af enten SUCLA2 eller SUCLG2. Denne kombination resulterer i enten en ADP-dannende succinat-CoA-ligase (A-SUCL, EC 6.2.1.5) eller en BNP-dannende succinat-CoA-ligase (G-SUCL, EC 6.2.1.4). Den ADP-dannende succinat-CoA-ligase er potentielt det eneste matrixenzym, der genererer ATP i fravær af en proton-drivkraft, der er i stand til at opretholde matrix-ATP-niveauer under energibegrænsede betingelser, såsom forbigående hypoxi .
Monofunktionel C1-tetrahydrofolatsyntase
Dette enzym er kodet af MTHFD1L og konverterer reversibelt ADP + phosphat + 10-formyltetrahydrofolat til ATP + formiat + tetrahydrofolat.
Andre mekanismer
I arbejdende skeletmuskler og hjernen lagres Phosphocreatine som en let tilgængelig højenergifosfatforsyning, og enzymet kreatinphosphokinase overfører et fosfat fra phosphocreatin til ADP for at producere ATP. Derefter frigiver ATP og giver kemisk energi. Dette anses undertiden fejlagtigt for at være phosphorylering på substratniveau, selv om det er en transphosphorylering .
Betydningen af substrat-niveau phosphorylering i anoxi
Under anoksi er tilvejebringelse af ATP ved hjælp af phosphorylering på substratniveau i matrixen vigtig, ikke kun som blot et energimiddel, men også for at forhindre mitokondrier i at belaste glykolytiske ATP-reserver ved at bevare adeninnukleotidtranslokatoren i 'fremadrettet tilstand', der fører ATP mod cytosol.
Oxidativ fosforylering
En alternativ metode, der bruges til at oprette ATP, er gennem oxidativ phosphorylering , som finder sted under cellulær respiration . Denne proces udnytter oxidationen af NADH til NAD + , hvilket giver 3 ATP og FADH 2 til FAD, hvilket giver 2 ATP. Den potentielle energi lagres som en elektrokemisk gradient af protoner (H + ) på tværs af indre mitokondrielle membran er nødvendig til ATP fra ADP og P i (uorganisk phosphat molekyle), en afgørende forskel fra substrat-niveau phosphorylering. Denne gradient udnyttes af ATP -syntase, der fungerer som en pore, hvilket tillader H + fra mitokondrielt intermembranrum at bevæge sig ned ad sin elektrokemiske gradient ind i matrixen og kobler frigivelsen af fri energi til ATP -syntese. Omvendt giver elektronoverførsel den energi, der kræves for aktivt at pumpe H + ud af matricen.
