Fosforilación a nivel de sustrato - Substrate-level phosphorylation
La fosforilación a nivel de sustrato es una reacción de metabolismo que da como resultado la producción de ATP o GTP mediante la transferencia de un grupo fosfato de un sustrato directamente a ADP o GDP . Transferencia de una energía más alta (ya sea que el grupo fosfato esté unido o no) a un producto de energía más baja. Este proceso utiliza parte de la energía química liberada , la energía libre de Gibbs , para transferir un grupo fosforilo (PO 3 ) a ADP o GDP de otro compuesto fosforilado. Ocurre en la glucólisis y en el ciclo del ácido cítrico.
A diferencia de la fosforilación oxidativa , la oxidación y la fosforilación no están acopladas en el proceso de fosforilación a nivel de sustrato, y los intermedios reactivos se obtienen con mayor frecuencia en el curso de los procesos de oxidación en el catabolismo . La mayor parte del ATP se genera por fosforilación oxidativa en la respiración aeróbica o anaeróbica, mientras que la fosforilación a nivel de sustrato proporciona una fuente de ATP más rápida y menos eficiente, independiente de los aceptores de electrones externos . Este es el caso de los eritrocitos humanos , que no tienen mitocondrias , y del músculo sin oxígeno.
Visión general
El trifosfato de adenosina es una de las principales "divisas energéticas" de la célula. Los enlaces de alta energía entre los grupos fosfato se pueden romper para impulsar una variedad de reacciones utilizadas en todos los aspectos de la función celular.
La fosforilación a nivel de sustrato ocurre en el citoplasma de las células durante la glucólisis y en las mitocondrias, ya sea durante el ciclo de Krebs o por MTHFD1L ( EC 6.3.4.3 ), una enzima que interconvierte ADP + fosfato + 10-formiltetrahidrofolato en ATP + formiato + tetrahidrofolato (reversiblemente). en condiciones aeróbicas y anaeróbicas . En la fase de pago de la glucólisis , se produce una red de 2 ATP por fosforilación a nivel de sustrato.
Glucólisis
La primera fosforilación a nivel de sustrato ocurre después de la conversión de 3-fosfogliceraldehído y Pi y NAD + en 1,3-bisfosfoglicerato a través de gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa . Luego, el 1,3-bisfosfoglicerato se desfosforila a través de la fosfoglicerato quinasa , produciendo 3-fosfoglicerato y ATP a través de una fosforilación a nivel de sustrato.
La segunda fosforilación a nivel de sustrato se produce al desfosforilar el fosfoenolpiruvato , catalizado por la piruvato quinasa , que produce piruvato y ATP.
Durante la fase preparatoria, cada molécula de glucosa de 6 carbonos se divide en dos moléculas de 3 carbonos. Por tanto, en la glucólisis, la desfosforilación da como resultado la producción de 4 ATP. Sin embargo, la fase preparatoria anterior consume 2 ATP, por lo que el rendimiento neto en glucólisis es 2 ATP. También se producen 2 moléculas de NADH y se pueden usar en la fosforilación oxidativa para generar más ATP.
Mitocondrias
El ATP se puede generar mediante la fosforilación a nivel de sustrato en las mitocondrias en una vía que es independiente de la fuerza motriz del protón . En la matriz hay tres reacciones capaces de fosforilación a nivel de sustrato, utilizando fosfoenolpiruvato carboxiquinasa o succinato-CoA ligasa , o C1-tetrahidrofolato sintasa monofuncional .
Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa
Se cree que la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa mitocondrial participa en la transferencia del potencial de fosforilación de la matriz al citosol y viceversa. Sin embargo, está fuertemente favorecido hacia la hidrólisis de GTP, por lo que realmente no se considera una fuente importante de fosforilación a nivel de sustrato intramitocondrial.
Succinato-CoA ligasa
La ligasa succinato-CoA es un heterodímero compuesto por una subunidad α invariante y una subunidad β específica de sustrato, codificada por SUCLA2 o SUCLG2. Esta combinación da como resultado una ligasa succinato-CoA formadora de ADP (A-SUCL, EC 6.2.1.5) o una ligasa succinato-CoA formadora de GDP (G-SUCL, EC 6.2.1.4). La ligasa succinato-CoA formadora de ADP es potencialmente la única enzima de la matriz que genera ATP en ausencia de una fuerza motriz del protón, capaz de mantener los niveles de ATP de la matriz en condiciones de energía limitada, como la hipoxia transitoria .
C1-tetrahidrofolato sintasa monofuncional
Esta enzima está codificada por MTHFD1L e interconvierte reversiblemente ADP + fosfato + 10-formiltetrahidrofolato en ATP + formiato + tetrahidrofolato.
Otros mecanismos
En el trabajo de los músculos esqueléticos y el cerebro, la fosfocreatina se almacena como un suministro de fosfato de alta energía fácilmente disponible, y la enzima creatina fosfocinasa transfiere un fosfato de la fosfocreatina al ADP para producir ATP. Luego, el ATP se libera dando energía química. Esto a veces se considera erróneamente como fosforilación a nivel de sustrato, aunque es una transfosforilación .
Importancia de la fosforilación a nivel de sustrato en la anoxia
Durante la anoxia , la provisión de ATP por fosforilación a nivel de sustrato en la matriz es importante no solo como un mero medio de energía, sino también para evitar que las mitocondrias ejerzan presión sobre las reservas de ATP glucolítico al mantener el translocador de nucleótidos de adenina en 'modo directo' que lleva ATP hacia el citosol.
Fosforilación oxidativa
Un método alternativo utilizado para crear ATP es mediante la fosforilación oxidativa , que tiene lugar durante la respiración celular . Este proceso utiliza la oxidación de NADH a NAD + , produciendo 3 ATP, y de FADH 2 a FAD, produciendo 2 ATP. La energía potencial almacenada como un gradiente electroquímico de protones (H + ) a través de la membrana mitocondrial interna se requiere para generar ATP a partir de ADP y P i (molécula de fosfato inorgánico), una diferencia clave de fosforilación a nivel de sustrato. Este gradiente es aprovechado por la ATP sintasa que actúa como un poro, lo que permite que el H + del espacio intermembrana mitocondrial descienda su gradiente electroquímico hacia la matriz y acople la liberación de energía libre a la síntesis de ATP. Por el contrario, la transferencia de electrones proporciona la energía necesaria para bombear activamente H + fuera de la matriz.