Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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. [1]

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.

Обзор [ править ]

Аденозинтрифосфат - основная «энергетическая валюта» клетки. [2] Высокоэнергетические связи между фосфатными группами могут быть разорваны для обеспечения различных реакций, используемых во всех аспектах функционирования клетки. [3]

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.

Гликолиз [ править ]

Основная статья: Гликолиз

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.

Митохондрии [ править ]

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 .

Фосфоенолпируваткарбоксикиназа [ править ]

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 считается важным источником фосфорилирования на уровне субстрата внутри митохондрий.

Сукцинат-КоА лигаза [ править ]

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 .

Монофункциональная C1-тетрагидрофолатсинтаза [ править ]

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

Другие механизмы [ править ]

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 .

Важность фосфорилирования на уровне субстрата при аноксии [ править ]

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. [9] [10] [11]

Окислительное фосфорилирование [ править ]

Основная статья: Окислительное фосфорилирование

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 поры, позволяя H +из митохондриального межмембранного пространства, чтобы 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 откачки H + из матрицы.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Фриман, Скотт. 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 .
  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. DOI : 10.2165 / 00003495-199958020-00002 . ISSN 0012-6667 . PMID 10473017 . S2CID 46974766 .   
  4. ^ Ламбете DO, Тевс К.Н., 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. DOI : 10.1074 / jbc.M406884200 . PMID 15234968 . 
  5. ^ Ottaway JH, Макклеллэн JA, Saunderson CL (1981). «Янтарная тиокиназа и метаболический контроль». Международный журнал биохимии . 13 (4): 401–10. DOI : 10.1016 / 0020-711x (81) 90111-7 . PMID 6263728 . 
  6. ^ Ламбет DO (2002). «Какова функция GTP, производимого в цикле лимонной кислоты Кребса?» . IUBMB Life . 54 (3): 143–4. DOI : 10.1080 / 15216540214539 . PMID 12489642 . 
  7. ^ Wilson DF, Erecińska M, Шрамм VL (1983). «Оценка взаимосвязи между интра- и внемитохондриальными отношениями АТФ / АДФ с использованием фосфоенолпируваткарбоксикиназы». Журнал биологической химии . 258 (17): 10464–73. PMID 6885788 . 
  8. ^ Джонсон JD, Мехус JG, Тевс K, Milavetz BI, Ламбет DO (1998). «Генетические доказательства экспрессии АТФ- и ГТФ-специфичных сукцинил-КоА синтетаз в многоклеточных эукариотах» . Журнал биологической химии . 273 (42): 27580–6. DOI : 10.1074 / jbc.273.42.27580 . PMID 9765291 . 
  9. ^ Чинопулос, C; Геренцер, AA; Манди, М; Mathe, K; Töröcsik, B; Докзи, Дж; Туриак, Л; Поцелуй, G; Konràd, C; 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. DOI : 10.1096 / fj.09-149898 . PMC 2887268 . PMID 20207940 .  
  10. ^ Chinopoulos, C (2011). «Митохондриальное потребление цитозольного АТФ: не так быстро» . FEBS Lett . 585 (9): 1255–9. DOI : 10.1016 / j.febslet.2011.04.004 . PMID 21486564 . S2CID 24773903 .  
  11. ^ Chinopoulos, C (2011). «В-пространство» фосфорилирования митохондрий » . J Neurosci Res . 89 (12): 1897–904. DOI : 10.1002 / jnr.22659 . PMID 21541983 .