Фосфорилирование на уровне субстрата
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
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.
Обзор
[ редактировать ]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.
Гликолиз
[ редактировать ]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.
Митохондрии
[ редактировать ]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 .
Фосфоенолпируваткарбоксикиназа
[ редактировать ]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 GTP, поэтому на самом деле он не считается важным источником внутримитохондриального фосфорилирования на уровне субстрата.
Сукцинат-КоА-лигаза
[ редактировать ]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 .
Монофункциональная C1-тетрагидрофолатсинтаза
[ редактировать ]Этот фермент кодируется MTHFD1L и обратимо превращает АДФ + фосфат + 10-формилтетрагидрофолат в АТФ + формиат + тетрагидрофолат.
Другие механизмы
[ редактировать ]В работающих скелетных мышцах и мозге фосфокреатин хранится в виде легкодоступного источника высокоэнергетического 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 .
Важность фосфорилирования на уровне субстрата при аноксии
[ редактировать ]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, поддерживая транслокатор адениновых нуклеотидов в «прямом режиме», перенося АТФ в сторону цитозоль. [9] [10] [11]
Окислительное фосфорилирование
[ редактировать ]Альтернативный метод создания АТФ – окислительное фосфорилирование , которое происходит во время клеточного дыхания . Этот процесс использует окисление НАДН до НАД. + , давая 3 АТФ, и от ФАДН 2 до ФАД, давая 2 АТФ. Потенциальная энергия, запасенная в виде электрохимического градиента протонов (H + ) через внутреннюю митохондриальную мембрану необходим 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 для перемещения по электрохимическому градиенту в матрикс и связывания высвобождения свободной энергии с синтезом АТФ. И наоборот, перенос электронов обеспечивает энергию, необходимую для активной накачки H. + вне матрицы.
Ссылки
[ редактировать ]
- ^ Фриман, Скотт (2020). Биологическая наука . Куиллин, Ким, Эллисон, Лизабет А., 1958-, Блэк, Майкл (преподаватель биологии), Подгорски, Грег, Тейлор, Эмили (преподаватель биологических наук), Кармайкл, Джефф. (Седьмое изд.). Хобокен, Нью-Джерси. ISBN 978-0-13-467832-0 . ОСЛК 1043972098 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Скулачев Владимир П.; Богачев Александр Владимирович; Каспаринский, Феликс О. (15 декабря 2012 г.). Принципы биоэнергетики . Springer Science & Business Media. п. 252. ИСБН 978-3-642-33430-6 .
- ^ Агтереш, Хендрик Дж.; Дагнили, Питер К.; ван ден Берг, Дж. Виллем; Уилсон, Дж. Х. (1999). «Аденозинтрифосфат». Наркотики . 58 (2): 211–232. дои : 10.2165/00003495-199958020-00002 . ISSN 0012-6667 . ПМИД 10473017 . S2CID 46974766 .
- ^ Ламбет Д.О., Тьюс К.Н., Адкинс С., Фрелих Д., Милавец Б.И. (2004). «Экспрессия двух сукцинил-КоА-синтетаз с различной нуклеотидной специфичностью в тканях млекопитающих» . Журнал биологической химии . 279 (35): 36621–4. дои : 10.1074/jbc.M406884200 . ПМИД 15234968 .
- ^ Оттауэй Дж. Х., Макклеллан Дж. А., Сондерсон К. Л. (1981). «Сукциновая тиокиназа и метаболический контроль». Международный журнал биохимии . 13 (4): 401–10. дои : 10.1016/0020-711x(81)90111-7 . ПМИД 6263728 .
- ^ Ламбет Д.О. (2002). «Какова функция ГТФ, вырабатываемого в цикле лимонной кислоты Кребса?» . ИУБМБ Жизнь . 54 (3): 143–4. дои : 10.1080/15216540214539 . ПМИД 12489642 .
- ^ Уилсон Д.Ф., Эрециньска М., Шрамм В.Л. (1983). «Оценка взаимосвязи между внутри- и экстрамитохондриальными соотношениями АТФ/АДФ с использованием фосфоенолпируваткарбоксикиназы» . Журнал биологической химии . 258 (17): 10464–73. дои : 10.1016/S0021-9258(17)44479-6 . ПМИД 6885788 .
- ^ Джонсон Дж.Д., Мехус Дж.Г., Тьюс К., Милавец Б.И., Ламбет Д.О. (1998). «Генетические доказательства экспрессии АТФ- и ГТФ-специфических сукцинил-КоА-синтетаз у многоклеточных эукариот» . Журнал биологической химии . 273 (42): 27580–6. дои : 10.1074/jbc.273.42.27580 . ПМИД 9765291 .
- ^ Чинопулос, К; Геренчер, А.А.; Манди, М; Мате, К; Тёрёкчик, Б; Дочи, Дж; Туряк, Л; Поцелуй, Г; Конрад, К; Вайда, С; Верецкий, В; О, Р.Дж.; Адам-Визи, В (2010). «Прямое действие адениннуклеотид-транслоказы во время обращения F0F1-АТФазы: решающая роль фосфорилирования на уровне матричного субстрата» . ФАСЕБ Дж . 24 (7): 2405–16. дои : 10.1096/fj.09-149898 . ПМЦ 2887268 . ПМИД 20207940 .
- ^ Чинопулос, К. (2011). «Митохондриальное потребление цитозольного АТФ: не так быстро» . ФЭБС Летт . 585 (9): 1255–9. дои : 10.1016/j.febslet.2011.04.004 . ПМИД 21486564 . S2CID 24773903 .
- ^ Чинопулос, К. (2011). «Пространство B» фосфорилирования митохондрий» . J Neurosci Res . 89 (12): 1897–904. дои : 10.1002/jnr.22659 . ПМИД 21541983 .