Кіріспе
Метаболистік реакция. Субстрат деңгейіндегі фосфорилирлеу – бұл АТФ немесе ГТФ өндіруге әкелетін метаболизм реакциясы, ол басқа жоғары энергиялы байланыстан босатылған энергиямен қамтамасыз етіледі, нәтижесінде АДФ немесе ГДП фосфорилирленеді және АТФ немесе ГТФ түзіледі (креатинкиназа катализдейтін реакция "субстрат деңгейіндегі фосфорилирлеу" ретінде қарастырылмайды). Бұл процесте босатылған химиялық энергияның, Гиббс еркін энергиясының бір бөлігі фосфорил (PO3) тобын АДФ немесе ГДП-ға беруге жұмсалады. Гликолизде және лимон қышқылы циклында жүзеге асады. Окистеу фосфорилирлеуден айырмашылығы, субстрат деңгейіндегі фосфорилирлеу процесінде тотығу және фосфорилирлеу бірдей жүрмейді, ал реактивті аралықтар көбінесе катаболизмдегі тотығу процестерінің нәтижесінде пайда болады. АТФ-тың көп бөлігі аэробты немесе анаэробты тыныс алу кезінде окистеу фосфорилирлеу арқылы түзіледі, ал субстрат деңгейіндегі фосфорилирлеу сыртқы электрон қабылдағыштарға тәуелсіз, АТФ-тың жылдам, бірақ тиімді емес көзін қамтамасыз етеді. Бұл митохондриялары жоқ адам эритроциттерінде және оттегі жетіспейтін бұлшық еттерінде байқалады.
Substrate level phosphorylation is a metabolism reaction that results in the production of ATP or GTP supported by the energy released from another high energy bond that leads to phosphorylation of ADP or GDP to ATP or GTP (note that the reaction catalyzed by creatine kinase is not considered as "substrate level phosphorylation"). This process uses some of the released chemical energy, the Gibbs free energy, to transfer a phosphoryl (PO3) group to ADP or GDP. Occurs in glycolysis and in the citric acid cycle. Unlike oxidative phosphorylation, oxidation and phosphorylation are not coupled in the process of substrate level phosphorylation, and reactive intermediates are most often gained in the course of oxidation processes in catabolism. Most ATP is generated by oxidative phosphorylation in aerobic or anaerobic respiration while substrate level phosphorylation provides a quicker, less efficient source of ATP, independent of external electron acceptors. This is the case in human erythrocytes, which have no mitochondria, and in oxygen depleted muscle.
Шолу
Аденозин трифосфаты (АТФ) – жасушаның маңызды "энергиялық валютасы". Фосфат топтары арасындағы жоғары энергиялы байланыстардың үзілуі жасуша функциясының барлық аспектілерінде қолданылатын түрлі реакцияларды қамтамасыз етеді. Субстрат деңгейіндегі фосфорилдану жасуша цитоплазмасында гликолиз кезінде, ал митохондрияда Кребс циклы барысында немесе MTHFD1L (EC 6.3.4.3) ферменті арқылы, ADP + фосфат + 10 формальтетрагидрофолатты АТФ + формат + тетрагидрофолатқа (кері реакциямен) аэробтық және анаэробтық жағдайларда жүзеге асырады. Гликолиздің нәтижелік фазасында субстрат деңгейіндегі фосфорилдану арқылы 2 АТФ таза түзіледі.
Гликолиз
Бірінші субстрат деңгейіндегі фосфорилдану 3-фосфоглицеральдегид пен Pi және NAD+ глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназа арқылы 1,3-бисфосфоглицератқа айналғаннан кейін жүреді. 1,3-бисфосфоглицерат фосфоглицерат киназа арқылы дефосфорилданып, 3-фосфоглицерат пен АТФ-ты субстрат деңгейіндегі фосфорилдау арқылы құрайды. Екінші субстрат деңгейіндегі фосфорилдану пируват киназасы катализдейтін фосфоэнолпируваттың дефосфорилдануы арқылы пируват пен АТФ-ты өндіреді. Дайындық кезеңінде әрбір 6 көміртекті глюкоза молекуласы екі 3 көміртекті молекулаға ыдырайды. Осылайша, гликолизде дефосфорилдану нәтижесінде 4 АТФ молекуласы түзіледі. Дегенмен, алдын ала дайындық кезеңі 2 АТФ-ты пайдаланады, сондықтан гликолиздегі таза түсім 2 АТФ-қа тең. Сондай-ақ, 2 NADH молекуласы да түзіледі және олар көбірек АТФ өндіру үшін тотықтырғыш фосфорилдануда қолданылуы мүмкін.
Митохондриялар
АТФ митохондрияда субстрат деңгейіндегі фосфорилирлеу арқылы, протондық градиентке тәуелсіз жолмен түзілуі мүмкін. Матриксте субстрат деңгейінде фосфорилирлеуге қабілетті үш реакция бар, олар фосфоенолпируват карбоксикиназа, сукцинат-КоА лигаза немесе монофункционалды C1 тетрагидрофолат синтетазасын қолданады.
Фосфоенолпируват карбоксикиназа
Митохондриялық фосфоенолпируват карбоксикиназа матрикстен цитозолге және кері бағытта фосфорилдану потенциалын тасымалдауға қатысады деп есептеледі. Дегенмен, ол ГТФ гидролизіне басымдық береді, сондықтан митохондрия ішіндегі субстрат деңгейіндегі фосфорилданудың маңызды көзі деп есептелмейді.
Сукцинат-КоА лигазасы
Сукцинатты CoA лигаза - өзгермейтін α-суббірлігінен және субстратқа қатысты ß-суббірлігінен тұратын гетеродимер, ол SUCLA2 немесе SUCLG2 гендерімен кодталады. Бұл комбинация нәтижесінде ADP түзілетін сукцинатты CoA лигаза (A SUCL, EC 6.2.1.5) немесе GDP түзілетін сукцинатты CoA лигаза (G SUCL, EC 6.2.1.4) пайда болады. Протондық градиент болмаған жағдайда ATP-ні өндіре алатын, энергия тапшылығы кезінде, мысалы, уақытша гипоксияда матрицалық ATP деңгейін сақтап тұра алатын жалғыз матрицалық фермент – ADP түзілетін сукцинатты CoA лигаза болып табылады.
Монофункционалды C1-тетрагидрофолат синтезасы
Бұл фермент MTHFD1L генімен кодталады және ADP + фосфат + 10 формальтетрагидрофолатты АТФ + формат + тетрагидрофолатқа қайтымды түрде өзгертеді.
Басқа механизмдер
Жұмыс істейтін қаңқа бұлшық еттері мен мида фосфокреатин жедел қолжетімді жоғары энергиялы фосфат қоры ретінде сақталады, ал креатин фосфокиназа ферменті фосфокреатиннен АДФ-қа фосфатты АТФ жасау үшін беріліс жасайды. Содан кейін АТФ химиялық энергияны бөліп шығарады. Бұл кейде жаңылыс түрде субстрат деңгейіндегі фосфорилдену деп есептеледі, бірақ ол трансфосфорилдену болып табылады.
Аноксия кезінде субстрат деңгейіндегі фосфорилирлеудің маңызы
Аноксия кезінде матрицадағы субстрат деңгейіндегі фосфорилирлеу арқылы АТФ қамтамасыз етілуі энергия көзі ретінде ғана емес, сонымен қатар митохондрияның гликолиттік АТФ қорларын сарқылудан қорғау үшін, аденоин нуклеотидті транслокаторды цитозолға АТФ тасымалдаушы "алға қарай" режимде ұстап тұру мақсатында да маңызды.
Окистендіру фосфорилирлеуі
АТФ-ты құрудың баламалы әдісі – жасушалық тыныс алу кезінде жүзеге асатын тотықтырғыш фосфорилирлеу. Бұл процесте NADH, NAD+-қа дейін тотығу арқылы 3 АТФ, ал FADH2, FAD-қа дейін тотығу арқылы 2 АТФ түзіледі. АДФ және Pi (органикалық емес фосфат молекуласы) -нан АТФ синтезі үшін ішкі митохондриялық мембранадағы протондардың (H+) электрохимиялық градиенті түрінде сақталған потенциалдық энергия қажет, бұл субстрат деңгейіндегі фосфорилирлеуден басты айырмашылық. Бұл градиент АТФ-синтетаза арқылы қолданылады, ол тесік ретінде әрекет етеді, митохондриялық мембранааралық кеңістіктен H+ иондарын электрохимиялық градиент бойынша матрицаға жылжытып, АТФ синтезіне еркін энергияны бөліп шығаруға мүмкіндік береді. Керісінше, электрондық тасымалдау матрицадан H+ иондарын белсенді түрде шығаруға қажетті энергияны қамтамасыз етеді.