Введение

Метаболическая реакция

Фосфорилирование на уровне субстрата – это метаболическая реакция, приводящая к образованию АТФ или ГТФ за счет энергии, высвобождаемой из другой высокоэнергетической связи, что ведет к фосфорилированию АДФ или ВДФ до АТФ или ГТФ (следует отметить, что реакция, катализируемая креатинкиназой, не рассматривается как "фосфорилирование на уровне субстрата"). В этом процессе часть высвобождаемой химической энергии, или свободной энергии Гиббса, используется для переноса фосфорильной (PO3) группы на АДФ или ВДФ. Происходит в гликолизе и цикле трикарбоновых кислот. В отличие от окислительного фосфорилирования, окисление и фосфорилирование не сопряжены в процессе фосфорилирования на уровне субстрата, а реакционноспособные промежуточные продукты чаще всего образуются в ходе окислительных процессов в катаболизме. Большая часть АТФ генерируется окислительным фосфорилированием при аэробном или анаэробном дыхании, в то время как фосфорилирование на уровне субстрата обеспечивает более быстрый, но менее эффективный источник АТФ, не зависящий от внешних акцепторов электронов. Это справедливо для человеческих эритроцитов, не содержащих митохондрий, и для мышц при недостатке кислорода.

Обзор

Аденозинтрифосфат (АТФ) является основной "энергетической валютой" клетки. Высокоэнергетические связи между фосфатными группами могут быть разорваны для обеспечения энергией разнообразных реакций, используемых во всех аспектах клеточной функции. Фосфорилирование на уровне субстрата происходит в цитоплазме клеток во время гликолиза и в митохондриях либо во время цикла Кребса, либо посредством MTHFD1L (EC 6.3.4.3) – фермента, взаимопреобразующего АДФ + фосфат + 10 формилтетрагидрофолата в АТФ + формиат + тетрагидрофолат (обратимо) как в аэробных, так и в анаэробных условиях. В фазу завершения гликолиза происходит образование чистого количества в 2 АТФ посредством фосфорилирования на уровне субстрата.

Гликолиз

Первое фосфорилирование на уровне субстрата происходит после превращения 3-фосфоглицеральдегида, Pi и NAD+ в 1,3-бисфосфоглицерат под действием глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы. Затем 1,3-бисфосфоглицерат дефосфорилируется фосфоглицераткиназой, образуя 3-фосфоглицерат и АТФ посредством фосфорилирования на уровне субстрата. Второе фосфорилирование на уровне субстрата происходит при дефосфорилировании фосфоенолпирувата, катализируемом пируваткиназой, с образованием пирувата и АТФ. В подготовительной фазе каждая молекула глюкозы, содержащая 6 атомов углерода, расщепляется на две молекулы, содержащие 3 атома углерода. Таким образом, в гликолизе дефосфорилирование приводит к образованию 4 молекул АТФ. Однако, предшествующая подготовительная фаза потребляет 2 молекулы АТФ, поэтому чистый выход АТФ в гликолизе составляет 2 молекулы. Также образуются 2 молекулы NADH, которые могут быть использованы в окислительном фосфорилировании для генерации большего количества АТФ.

Митохондрии

АТФ может генерироваться посредством фосфорилирования на уровне субстрата в митохондриях по пути, не зависящему от протонного градиента. В матриксе существует три реакции, способные к фосфорилированию на уровне субстрата, использующие либо фосфоенолпируваткарбоксикиназу, либо сукцинат-КоА лигазу, либо монофункциональную C1-тетрагидрофолатсинтазу.

Фосфоенолпируват карбоксикиназа

Считается, что митохондриальная фосфоенолпируваткарбоксикиназа участвует в переносе потенциала фосфорилирования из митохондриального матрикса в цитозоль и обратно. Однако, она сильно склоняется к гидролизу ГТФ, поэтому её редко рассматривают как значимый источник субстратного фосфорилирования внутри митохондрий.

Сукцинатно-коа-лигаза

Сукцинат-КоА лигаза является гетеродимером, состоящим из инвариантной α-субъединицы и субстрат-специфической β-субъединицы, кодируемых генами SUCLA2 или SUCLG2. Эта комбинация приводит к образованию либо сукцинат-КоА лигазы, формирующей АДФ (A SUCL, EC 6.2.1.5), либо сукцинат-КоА лигазы, формирующей ГДФ (G SUCL, EC 6.2.1.4). Сукцинат-КоА лигаза, формирующая АДФ, потенциально является единственным матричным ферментом, генерирующим АТФ в отсутствие протонного градиента, способным поддерживать уровень АТФ в матриксе в условиях энергетического дефицита, таких как транзиторная гипоксия.

Монофункциональная C1-тетрагидрофоллатсинтаза

Этот фермент кодируется геном MTHFD1L и обратимо преобразует ADP + фосфат + 10 формилтетрагидрофолата в ATP + формиат + тетрагидрофолат.

Другие механизмы

В работающих скелетных мышцах и мозге фосфокреатин запасается как легкодоступный источник высокоэнергетических фосфатов, а фермент креатинфосфокиназа переносит фосфатную группу из фосфокреатина к АДФ с образованием АТФ. Затем АТФ высвобождает энергию в виде химической энергии. Это иногда ошибочно принимают за фосфорилирование на уровне субстрата, хотя на самом деле это трансфосфорилирование.

Значение фосфорилирования на уровне субстрата при аноксии

Во время аноксии, обеспечение АТФ за счет фосфорилирования на уровне субстрата в матрице важно не только как источник энергии, но и для предотвращения истощения гликолитических запасов АТФ в митохондриях, поддерживая адениновый нуклеотидный транслокатор в режиме, обеспечивающем транспорт АТФ в цитозоль.

Окислительная фосфорилизация

Альтернативный способ образования АТФ – окислительное фосфорилирование, происходящее в процессе клеточного дыхания. Этот процесс использует окисление NADH до NAD+, дающее 3 АТФ, и FADH2 до FAD, дающее 2 АТФ. Для генерации АТФ из АДФ и Pi (неорганического фосфата) необходима потенциальная энергия, запасенная в виде электрохимического градиента протонов (H+) через внутреннюю митохондриальную мембрану, что является ключевым отличием от фосфорилирования на уровне субстрата. Этот градиент используется АТФ-синтазой, функционирующей как канал, позволяя H+ из межмембранного пространства митохондрий двигаться по своему электрохимическому градиенту в матрицу и связывая высвобождение свободной энергии с синтезом АТФ. В свою очередь, перенос электронов обеспечивает энергию, необходимую для активного перекачивания H+ из матрицы.