Fosforilação em nível de substrato - Substrate-level phosphorylation
A fosforilação em nível de substrato é uma reação do metabolismo que resulta na produção de ATP ou GTP pela transferência de um grupo fosfato de um substrato diretamente para ADP ou GDP . Transferência de uma energia mais alta (seja o grupo fosfato ligado ou não) para um produto de energia mais baixa. Este processo usa parte da energia química liberada , a energia livre de Gibbs , para transferir um grupo fosforil (PO 3 ) para ADP ou GDP de outro composto fosforilado. Ocorre na glicólise e no ciclo do ácido cítrico.
Ao contrário da fosforilação oxidativa , a oxidação e a fosforilação não são acopladas no processo de fosforilação no nível do substrato, e intermediários reativos são mais frequentemente obtidos no curso dos processos de oxidação no catabolismo . A maior parte do ATP é gerada pela fosforilação oxidativa na respiração aeróbica ou anaeróbica, enquanto a fosforilação no nível do substrato fornece uma fonte de ATP mais rápida e menos eficiente, independente de aceitadores de elétrons externos . Esse é o caso dos eritrócitos humanos , que não possuem mitocôndrias , e do músculo pobre em oxigênio.
Visão geral
O trifosfato de adenosina é a principal "moeda de energia" da célula. As ligações de alta energia entre os grupos fosfato podem ser quebradas para alimentar uma variedade de reações usadas em todos os aspectos da função celular.
A fosforilação em nível de substrato ocorre no citoplasma das células durante a glicólise e na mitocôndria durante o ciclo de Krebs ou por MTHFD1L ( EC 6.3.4.3 ), uma enzima que interconvert ADP + fosfato + 10-formiltetrahidrofolato em ATP + formato + tetrahidrofolato (reversivelmente), sob condições aeróbicas e anaeróbicas . Na fase de compensação da glicólise , uma rede de 2 ATP é produzida por fosforilação em nível de substrato.
Glicolise
A primeira fosforilação em nível de substrato ocorre após a conversão de 3-fosfogliceraldeído e Pi e NAD + em 1,3-bisfosfoglicerato via gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase . O 1,3-bisfosfoglicerato é então desfosforilado via fosfoglicerato quinase , produzindo 3-fosfoglicerato e ATP por meio de uma fosforilação em nível de substrato.
A segunda fosforilação em nível de substrato ocorre pela desfosforilação do fosfoenolpiruvato , catalisada pela piruvato quinase , produzindo piruvato e ATP.
Durante a fase preparatória, cada molécula de glicose de 6 carbonos é quebrada em duas moléculas de 3 carbonos. Assim, na glicólise, a desfosforilação resulta na produção de 4 ATP. No entanto, a fase preparatória anterior consome 2 ATP, então o rendimento líquido na glicólise é 2 ATP. 2 moléculas de NADH também são produzidas e podem ser usadas na fosforilação oxidativa para gerar mais ATP.
Mitocôndria
O ATP pode ser gerado por fosforilação em nível de substrato na mitocôndria em uma via que é independente da força motriz do próton . Na matriz, há três reações capazes de fosforilação em nível de substrato, utilizando fosfoenolpiruvato carboxicinase ou succinato-CoA ligase , ou C1-tetrahidrofolato sintase monofuncional .
Fosfoenolpiruvato carboxicinase
Pensa-se que a fosfoenolpiruvato carboxicinase mitocondrial participa na transferência do potencial de fosforilação da matriz para o citosol e vice-versa. No entanto, é fortemente favorecido para a hidrólise do GTP, portanto, não é realmente considerado como uma fonte importante de fosforilação intra-mitocondrial em nível de substrato.
Succinato-CoA ligase
Succinato-CoA ligase é um heterodímero composto por uma subunidade α invariante e uma subunidade ß específica do substrato, codificada por SUCLA2 ou SUCLG2. Esta combinação resulta em uma succinato-CoA ligase formadora de ADP (A-SUCL, EC 6.2.1.5) ou em uma succinato-CoA ligase formadora de GDP (G-SUCL, EC 6.2.1.4). A succinato-CoA ligase formadora de ADP é potencialmente a única enzima da matriz geradora de ATP na ausência de uma força motriz de prótons, capaz de manter os níveis de ATP da matriz em condições de energia limitada, como hipóxia transitória .
C1-tetrahidrofolato sintase monofuncional
Esta enzima é codificada por MTHFD1L e reversivelmente interconverte ADP + fosfato + 10-formiltetrahidrofolato em ATP + formato + tetrahidrofolato.
Outros mecanismos
No trabalho dos músculos esqueléticos e do cérebro, a Fosfocreatina é armazenada como um suprimento de fosfato de alta energia prontamente disponível, e a enzima creatina fosfoquinase transfere um fosfato da fosfocreatina para o ADP para produzir ATP. Em seguida, o ATP libera dando energia química. Isso às vezes é erroneamente considerado como fosforilação em nível de substrato, embora seja uma transfosforilação .
Importância da fosforilação em nível de substrato na anóxia
Durante a anóxia , o fornecimento de ATP por fosforilação em nível de substrato na matriz é importante não apenas como um mero meio de energia, mas também para evitar que as mitocôndrias sobrecarreguem as reservas de ATP glicolítico, mantendo o translocador de nucleotídeo de adenina em "modo direto", transportando ATP em direção ao citosol.
Fosforilação oxidativa
Um método alternativo usado para criar ATP é por meio da fosforilação oxidativa , que ocorre durante a respiração celular . Este processo utiliza a oxidação de NADH em NAD + , gerando 3 ATP, e de FADH 2 em FAD, gerando 2 ATP. A energia potencial armazenada como um gradiente eletroquímico de prótons (H + ) através da membrana mitocondrial interna é necessária para gerar ATP a partir de ADP e P i (molécula de fosfato inorgânico), uma diferença chave da fosforilação em nível de substrato. Este gradiente é explorado pela ATP sintase atuando como um poro, permitindo que o H + do espaço intermembranar mitocondrial desça seu gradiente eletroquímico na matriz e acople a liberação de energia livre à síntese de ATP. Por outro lado, a transferência de elétrons fornece a energia necessária para bombear ativamente H + para fora da matriz.