Фосфорилирование на уровне субстрата - Substrate-level phosphorylation

Примером фосфорилирования на уровне субстрата является превращение ADP к АТФ

Фосфорилирование на уровне субстрата представляет собой реакцию метаболизма, которая приводит к производству 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. В этом процессе используются некоторые из выпущенных химическая энергия, то Свободная энергия Гиббса, чтобы передать фосфорил (PO3) в ADP или ВВП из другого фосфорилированного соединения. Происходит при гликолизе и в цикле лимонной кислоты.[1]

в отличие окислительного фосфорилирования, окисление и фосфорилирование не связаны в процессе фосфорилирования на уровне субстрата, и реакционноспособные промежуточные продукты чаще всего образуются в процессе окисление процессы в катаболизм. Большая часть АТФ образуется путем 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 факторов. акцепторы электронов. Так обстоит дело с человеком эритроциты, у которых нет митохондрий, и в мышцах с дефицитом кислорода.

Обзор

Аденозинтрифосфат - основная «энергетическая валюта» клетки.[2] Связи с высокой энергией между фосфатными группами могут быть разорваны, чтобы привести в действие множество реакций, используемых во всех аспектах функционирования клетки.[3]

Фосфорилирование субстратного уровня происходит в цитоплазме клеток во время гликолиз а в митохондриях либо во время Цикл Кребса или по MTHFD1L (EC 6.3.4.3 ), фермент, превращающий АДФ + фосфат + 10-формилтетрагидрофолат в АТФ + формиат + тетрагидрофолат (обратимо), при обоих аэробный и анаэробный условия. в фаза окупаемости гликолиза, сеть из 2 АТФ продуцируется фосфорилированием на уровне субстрата.

Гликолиз

Основная статья: Гликолиз

Первое фосфорилирование на уровне субстрата происходит после превращения 3-фосфоглицеральдегида и Pi и NAD + в 1,3-бисфосфоглицерат через глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа. 1,3-бисфосфоглицерат затем дефосфорилируется через фосфоглицераткиназа, продуцируя 3-фосфоглицерат и АТФ посредством фосфорилирования на уровне субстрата.

Фосфорилирование второго уровня субстрата происходит путем дефосфорилирования фосфоенолпируват, катализируемый пируваткиназа, производя пируват и АТФ.

На подготовительном этапе 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 на предыдущей подготовительной фазе потребляется 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.

Митохондрии

АТФ может генерироваться фосфорилированием на уровне субстрата в митохондрии на пути, независимом от движущая сила протона. в матрица Существуют три реакции, способные к фосфорилированию на уровне субстрата, с использованием либо фосфоенолпируваткарбоксикиназа или сукцинат-КоА лигаза, или монофункциональная C1-тетрагидрофолатсинтаза.

Фосфоенолпируваткарбоксикиназа

Считается, что митохондриальная фосфоенолпируваткарбоксикиназа участвует в передаче потенциала фосфорилирования от матрикса к цитозолю и наоборот.[4][5][6][7][8] Однако он сильно способствует гидролизу GTP, поэтому на самом деле он не рассматривается как важный источник фосфорилирования на уровне субстрата внутри митохондрий.

Сукцинат-КоА лигаза

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 АДФ-образующая сукцинат-КоА лигаза (A-SUCL, EC 6.2.1.5) или GDP-образующая сукцинат-КоА лигаза (G-SUCL, EC 6.2.1.4). АДФ-образующая сукцинат-КоА-лигаза потенциально является единственным матричным ферментом, генерирующим АТФ в отсутствие движущей силы протона, способным поддерживать уровни АТФ в матриксе в условиях с ограничением энергии, таких как временные гипоксия.

Монофункциональная C1-тетрагидрофолатсинтаза

Этот фермент кодируется MTHFD1L и обратимо взаимно превращает АДФ + фосфат + 10-формилтетрагидрофолат в АТФ + формиат + тетрагидрофолат.

Прочие механизмы

В работе скелетных мышц и мозга, 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

В течение аноксия, 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 за счет поддержания транслокатор адениновых нуклеотидов в «прямом режиме» переносит АТФ в цитозоль.[9][10][11]

Окислительного фосфорилирования

Основная статья: Окислительного фосфорилирования

Альтернативный метод, используемый для создания АТФ, - это окислительного фосфорилирования, который происходит во время клеточное дыхание. В этом процессе используется окисление НАДН в НАД+, с получением 3 АТФ и FADH2 к FAD, давая 2 АТФ. В потенциальная энергия хранится как электрохимический градиент протонов (H+) через внутреннюю митохондриальную мембрану требуется для выработки АТФ из АДФ и фосфора.я (молекула неорганического фосфата), что является ключевым отличием от фосфорилирования на уровне субстрата. Этот градиент используется АТФ-синтаза действуя как поры, позволяя H+ из митохондриальной межмембранное пространство двигаться вниз по своему электрохимическому градиенту в матрицу и связывать высвобождение свободной энергии с синтезом АТФ. И наоборот, перенос электронов обеспечивает энергию, необходимую для активной накачки H+ вне матрицы.

использованная литература

  1. ^ Фриман, Скотт, 1955-. Биологическая наука. Куиллин, Ким, Эллисон, Лизабет А., 1958-, Блэк, Майкл (преподаватель биологии), Подгорски, Грег, Тейлор, Эмили (преподаватель биологических наук), Кармайкл, Джефф, (седьмое изд.). Хобокен, штат Нью-Джерси. ISBN  978-0-13-467832-0. OCLC  1043972098.CS1 maint: лишняя пунктуация (ссылка на сайт) CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  2. ^ Скулачев, Владимир П .; Богачев, Александр В .; Каспаринский, Феликс О. (15 декабря 2012 г.). Принципы биоэнергетики. Springer Science & Business Media. п. 252. ISBN  978-3-642-33430-6.
  3. ^ Agteresch, Hendrik J .; Dagnelie, Pieter C .; ван ден Берг, Дж. Виллем; Уилсон, Дж. Х. (1999). «Аденозинтрифосфат». Наркотики. 58 (2): 211–232. Дои:10.2165/00003495-199958020-00002. ISSN  0012-6667. PMID  10473017. S2CID  46974766.
  4. ^ Lambeth DO, Tews KN, Adkins S, Frohlich D, Milavetz BI (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. PMID  15234968.
  5. ^ Оттавей Дж. Х., Макклеллан Дж. А., Сондерсон К. Л. (1981). «Янтарная тиокиназа и метаболический контроль». Международный журнал биохимии. 13 (4): 401–10. Дои:10.1016 / 0020-711x (81) 90111-7. PMID  6263728.
  6. ^ Ламбет Д.О. (2002). «Какова функция GTP, производимого в цикле лимонной кислоты Кребса?». IUBMB Life. 54 (3): 143–4. Дои:10.1080/15216540214539. PMID  12489642.
  7. ^ Уилсон Д.Ф., Еречинская М., Шрамм В.Л. (1983). «Оценка взаимосвязи между интра- и внемитохондриальными отношениями АТФ / АДФ с использованием фосфоенолпируваткарбоксикиназы». Журнал биологической химии. 258 (17): 10464–73. PMID  6885788.
  8. ^ 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 в многоклеточных эукариотах». Журнал биологической химии. 273 (42): 27580–6. Дои:10.1074 / jbc.273.42.27580. PMID  9765291.
  9. ^ Чинопулос, К; Геренцер, AA; Манди, М; Mathe, K; Töröcsik, B; Докзи, Дж; Туриак, Л; Поцелуй, G; Конрад, К. Вайда, S; Vereczki, V; О, RJ; Адам-Визи, V (2010). «Прямое действие транслоказы адениновых нуклеотидов во время реверсирования F0F1-АТФазы: критическая роль фосфорилирования на уровне субстрата матрикса». FASEB J. 24 (7): 2405–16. Дои:10.1096 / fj.09-149898. ЧВК  2887268. PMID  20207940.
  10. ^ Чинопулос, К. (2011). «Митохондриальное потребление цитозольного АТФ: не так быстро». FEBS Lett. 585 (9): 1255–9. Дои:10.1016 / j.febslet.2011.04.004. PMID  21486564. S2CID  24773903.
  11. ^ Чинопулос, К. (2011). «В-пространство» фосфорилирования митохондрий ». J Neurosci Res. 89 (12): 1897–904. Дои:10.1002 / jnr.22659. PMID  21541983.