Phosphorylierung auf Substratebene - Substrate-level phosphorylation
Die Phosphorylierung auf Substratebene ist eine Stoffwechselreaktion, die zur Produktion von ATP oder GTP führt, indem eine Phosphatgruppe von einem Substrat direkt auf ADP oder GDP übertragen wird . Übergang von einem höherenergetischen Produkt (ob Phosphatgruppe gebunden oder nicht) in ein niederenergetisches Produkt. Dieser Prozess verwendet einen Teil der freigesetzten chemischen Energie , die freie Gibbs-Energie , um eine Phosphorylgruppe (PO 3 ) von einer anderen phosphorylierten Verbindung auf ADP oder GDP zu übertragen. Tritt bei der Glykolyse und im Zitronensäurezyklus auf.
Im Gegensatz zur oxidativen Phosphorylierung sind Oxidation und Phosphorylierung bei der Phosphorylierung auf Substratebene nicht gekoppelt, und reaktive Zwischenprodukte werden am häufigsten im Verlauf von Oxidationsprozessen im Katabolismus gewonnen . Das meiste ATP wird durch oxidative Phosphorylierung bei der aeroben oder anaeroben Atmung erzeugt, während die Phosphorylierung auf Substratebene eine schnellere, weniger effiziente ATP-Quelle bietet, unabhängig von externen Elektronenakzeptoren . Dies ist bei menschlichen Erythrozyten der Fall , die keine Mitochondrien haben , und bei sauerstoffarmen Muskeln.
Überblick
Adenosintriphosphat ist eine wichtige "Energiewährung" der Zelle. Die hochenergetischen Bindungen zwischen den Phosphatgruppen können aufgebrochen werden, um eine Vielzahl von Reaktionen anzutreiben, die in allen Aspekten der Zellfunktion verwendet werden.
Die Phosphorylierung auf Substratebene erfolgt im Zytoplasma von Zellen während der Glykolyse und in Mitochondrien entweder während des Krebs-Zyklus oder durch MTHFD1L ( EC 6.3.4.3 ), ein Enzym, das ADP + Phosphat + 10-Formyltetrahydrofolat in ATP + Formiat + Tetrahydrofolat (reversibel) umwandelt. unter aeroben und anaeroben Bedingungen. In der Pay-off-Phase der Glykolyse wird ein Netz von 2 ATP durch Phosphorylierung auf Substratebene produziert.
Glykolyse
Die erste Phosphorylierung auf Substratebene erfolgt nach der Umwandlung von 3-Phosphoglyceraldehyd und Pi und NAD+ zu 1,3-Bisphosphoglycerat über die Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase . 1,3-Bisphosphoglycerat wird dann über Phosphoglyceratkinase dephosphoryliert , wodurch 3-Phosphoglycerat und ATP durch eine Phosphorylierung auf Substratebene produziert werden.
Die zweite Phosphorylierung auf Substratebene erfolgt durch Dephosphorylierung von Phosphoenolpyruvat , katalysiert durch Pyruvatkinase , wobei Pyruvat und ATP produziert werden.
Während der Vorbereitungsphase wird jedes 6-Kohlenstoff-Glukosemolekül in zwei 3-Kohlenstoff-Moleküle zerlegt. Somit führt die Dephosphorylierung bei der Glykolyse zur Produktion von 4 ATP. Die vorherige Vorbereitungsphase verbraucht jedoch 2 ATP, so dass die Nettoausbeute bei der Glykolyse 2 ATP beträgt. 2 Moleküle NADH werden ebenfalls produziert und können bei der oxidativen Phosphorylierung verwendet werden, um mehr ATP zu erzeugen.
Mitochondrien
ATP kann durch Phosphorylierung auf Substratebene in Mitochondrien in einem von der protonenmotorischen Kraft unabhängigen Stoffwechselweg erzeugt werden . In der Matrix gibt es drei Reaktionen, die zur Phosphorylierung auf Substratebene fähig sind, wobei entweder Phosphoenolpyruvatcarboxykinase oder Succinat-CoA-Ligase oder monofunktionelle C1-Tetrahydrofolatsynthase verwendet werden .
Phosphoenolpyruvatcarboxykinase
Es wird angenommen, dass die mitochondriale Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase an der Übertragung des Phosphorylierungspotentials von der Matrix in das Zytosol und umgekehrt beteiligt ist. Es wird jedoch stark für die GTP-Hydrolyse bevorzugt, daher wird es nicht wirklich als eine wichtige Quelle für die intramitochondriale Phosphorylierung auf Substratebene angesehen.
Succinat-CoA-Ligase
Succinat-CoA-Ligase ist ein Heterodimer, das aus einer invarianten α-Untereinheit und einer substratspezifischen ß-Untereinheit besteht, die entweder von SUCLA2 oder SUCLG2 kodiert wird. Diese Kombination führt entweder zu einer ADP-bildenden Succinat-CoA-Ligase (A-SUCL, EC 6.2.1.5) oder einer GDP-bildenden Succinat-CoA-Ligase (G-SUCL, EC 6.2.1.4). Die ADP-bildende Succinat-CoA-Ligase ist potentiell das einzige Matrixenzym, das ATP in Abwesenheit einer protonenmotorischen Kraft erzeugt und in der Lage ist, Matrix-ATP-Spiegel unter energiebegrenzten Bedingungen, wie etwa vorübergehender Hypoxie , aufrechtzuerhalten .
Monofunktionelle C1-Tetrahydrofolatsynthase
Dieses Enzym wird von MTHFD1L kodiert und wandelt ADP + Phosphat + 10-Formyltetrahydrofolat reversibel in ATP + Formiat + Tetrahydrofolat um.
Andere Mechanismen
In der arbeitenden Skelettmuskulatur und im Gehirn wird Phosphokreatin als leicht verfügbarer energiereicher Phosphatvorrat gespeichert, und das Enzym Kreatinphosphokinase überträgt ein Phosphat von Phosphokreatin auf ADP, um ATP zu produzieren. Dann wird das ATP freigesetzt und gibt chemische Energie. Dies wird manchmal fälschlicherweise als Phosphorylierung auf Substratebene angesehen, obwohl es sich um eine Transphosphorylierung handelt .
Bedeutung der Phosphorylierung auf Substratebene bei Anoxie
Während der Anoxie ist die Bereitstellung von ATP durch Phosphorylierung auf Substratebene in der Matrix nicht nur als bloßes Energiemittel wichtig, sondern auch um zu verhindern, dass die Mitochondrien die glykolytischen ATP-Reserven belasten, indem sie den Adeninnukleotid-Translokator im "Vorwärtsmodus" halten, der ATP in Richtung des Zytosol.
Oxidative Phosphorylierung
Eine alternative Methode zur Herstellung von ATP ist die oxidative Phosphorylierung , die während der Zellatmung stattfindet . Dieses Verfahren nutzt die Oxidation von NADH zu NAD + , was 3 ATP ergibt, und von FADH 2 zu FAD, was 2 ATP ergibt. Die potentielle Energie, die als elektrochemischer Gradient von Protonen (H + ) über die innere Mitochondrienmembran gespeichert wird, wird benötigt, um ATP aus ADP und P i (anorganisches Phosphatmolekül) zu erzeugen , ein wesentlicher Unterschied zur Phosphorylierung auf Substratebene. Dieser Gradient wird von der ATP-Synthase ausgenutzt, die als Pore wirkt, die es H + aus dem mitochondrialen Intermembranraum ermöglicht, seinen elektrochemischen Gradienten in die Matrix hinunter zu wandern und die Freisetzung von freier Energie an die ATP-Synthese zu koppeln. Umgekehrt liefert der Elektronentransfer die Energie, die erforderlich ist, um H + aktiv aus der Matrix heraus zu pumpen .
