기질 수준 인산화

Substrate-level phosphorylation
ADP를 ATP로 변환한 기질 수준 인산화 예

기질 수준 인산염은 인산염 그룹을 기질에서 ADP 또는 GDP로 직접 전달함으로써 ATP 또는 GTP의 생성을 초래하는 신진대사 반응이다. 높은 에너지(인산염 그룹 부착 여부)에서 낮은 에너지 제품으로 이전한다. 이 과정은 방출된 화학 에너지 중 일부인 Gibbs 자유 에너지를 사용하여 다른 인광 화합물에서 ADP3 또는 GDP로 인광 그룹을 전송한다. 당분해와 구연산 사이클에서 발생한다.[1]

산화인산화와는 달리 기질 수준의 인산화 과정에서는 산화작용과 인산화 작용이 결합되지 않으며, 반응성 매개체는 대부분 카타볼리즘에서 산화 작용 과정에서 얻어지는 경우가 많다. 대부분의 ATP는 유산소 호흡이나 혐기성 호흡에서 산화 인산염에 의해 생성되는 반면 기질 수준의 인산염은 외부 전자 수용체와는 독립적으로 ATP의 더 빠르고 덜 효율적인 공급원을 제공한다. 미토콘드리아가 없는 인간 적혈구, 산소 결핍근육이 그렇다.

개요

아데노신 3인산염은 세포의 주요 "에너지 통화"이다.[2] 인산염 그룹들 사이의 높은 에너지 결합은 세포 기능의 모든 측면에서 사용되는 다양한 반응에 동력을 공급하기 위해 깨질 수 있다.[3]

Substrate-level phosphorylation occurs in the cytoplasm of cells during glycolysis and in mitochondria either during the Krebs cycle or by MTHFD1L (EC 6.3.4.3), an enzyme interconverting ADP + phosphate + 10-formyltetrahydrofolate to ATP + formate + tetrahydrofolate (reversibly), under both aerobic and anaerobic conditions. 글리콜리시스 페이즈에서 2 ATP의 순은 기질 수준의 인산화 작용에 의해 생성된다.

글리콜리시스

주요 기사: 글리콜리시스

The first substrate-level phosphorylation occurs after the conversion of 3-phosphoglyceraldehyde and Pi and NAD+ to 1,3-bisphosphoglycerate via glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase. 1,3-bisphosphoglycerate is then dephosphorylated via phosphoglycerate kinase, producing 3-phosphoglycerate and ATP through a substrate-level phosphorylation.

두 번째 기질 수준 인산화효소는 인산소화 인산염에 의해 발생하며, 인산염 키나아제에 의해 촉매되어 화농산염과 ATP를 생성한다.

준비 단계 동안, 각각의 6-탄소 포도당 분자는 두 개의 3-탄소 분자로 부서진다. 따라서 글리콜리시스 탈인산화에서는 4 ATP가 생성된다. 그러나 사전 준비 단계는 2 ATP를 소비하므로 글리콜리시스에서의 순 수율은 2 ATP이다. NADH의 2개 분자도 생성되며 산화 인산염에 사용되어 더 많은 ATP를 생성할 수 있다.

미토콘드리아

ATP는 양성자 원동력으로부터 독립된 경로에서 미토콘드리아에서 기질 수준의 인산화 작용에 의해 생성될 수 있다. 매트릭스에는 인산염피루브산 카르복시킨아제 또는 숙신-CoA 리기아제 또는 모노오작성 C1-테트라하이드로폴리스 신타제를 활용하여 기질 수준의 인산화가 가능한 세 가지 반응이 있다.

인에노폴피루베이트카복시키나아제

미토콘드리아 인산염피루브산 카르복시키나아제는 인산화 전위를 매트릭스에서 시토솔로 전달하고 그 반대의 경우도 마찬가지라고 생각된다.[4][5][6][7][8] 그러나 GTP 가수분해에는 강하게 선호되기 때문에 실제로 미토콘드리아 내 기질 수준 인산화 작용의 중요한 원천으로 간주되지는 않는다.

숙신-코아 리가아제

Succinate-CoA ligase는 불변 α-하위 단위와 기질 특유의 sub-하위 단위로 구성된 헤테로디머로, SUCLA2 또는 SUCLG2로 인코딩된다. 이 조합은 ADP-형성 숙사-CoA 리가아제(A-SUCL, EC 6.2.1.5) 또는 GDP형 숙사-CoA 리가아제(G-SUCL, EC 6.2.1.4)를 초래한다. ADP형성 숙사-CoA 리가제는 양성자 동력이 없을 때 ATP를 생성하는 유일한 매트릭스 효소로, 일시적인 저산소증과 같은 에너지 제한 조건에서 매트릭스 ATP 수준을 유지할 수 있다.

모노오작성 C1-테트라하이드로폴리스 싱타아제

이 효소는 MTHFD1L로 인코딩되며 ADP + 인산염 + 10-포밀테트라하이드로폴리스와 ATP + 포말레이트 + 테트라하이드로폴리스로 역간합된다.

기타 메커니즘

작동하는 골격근과 뇌에서 인산염은 쉽게 구할 수 있는 고에너지 인산염 공급원으로 저장되며, 크레아틴 인산염 효소는 인산염을 인산염에서 ADP로 전달해 ATP를 생성한다. 그리고 나서 ATP는 화학 에너지를 방출한다. 이것은 트랜스인산화이긴 하지만 기질 수준의 인산화라고 잘못 생각되는 경우도 있다.

무옥시아에서 기질 수준의 인산화 중요성

무옥시아 동안 매트릭스에서 기질 수준의 인산화술에 의한 ATP의 제공은 단순한 에너지 수단으로서뿐만 아니라, ATP를 시토솔 쪽으로 운반하는 '전방 모드'에서 아데닌 뉴클레오티드 변환기를 유지함으로써 미토콘드리아가 글리콜리틱 ATP 비축량을 억제하는 것을 방지하는 것이 중요하다.[9][10][11]

산화인산화

주요 기사: 산화인산화

ATP 생성에 사용되는 다른 방법은 세포호흡 중에 일어나는 산화 인산화를 통해서이다. 이 공정은 NAD에+ 대한 NADH의 산화를 활용하여 3 ATP를, FAD에 대한 FADH의2 산화를 활용하여 2 ATP를 산출한다. 내부 미토콘드리아 막 전체에 걸쳐 양성자(H+)의 전기화학 그라데이션으로 저장되는 전위 에너지는 기질 수준 인산화와의 핵심 차이인 ADP와 Pi(유기농 인산염 분자)로부터 ATP를 생성하기 위해 필요하다. 이 그라데이션은 ATP 싱타아제가 모공 역할을 하여 미토콘드리아 간막 공간의 H가+ 전기화학 그라데이션의 아래로 내려가 매트릭스로 이동하고 자유 에너지의 방출을 ATP 합성에 결합할 수 있도록 한다. 반대로 전자전달은 H를+ 매트릭스에서 능동적으로 펌프하는 데 필요한 에너지를 제공한다.

참조

  1. ^ Freeman, Scott. Biological science. Quillin, Kim, Allison, Lizabeth A., 1958-, Black, Michael (Lecturer in biology), Podgorski, Greg, Taylor, Emily (Lecturer in biological sciences), Carmichael, Jeff. (Seventh ed.). Hoboken, NJ. ISBN 978-0-13-467832-0. OCLC 1043972098.
  2. ^ Skulachev, Vladimir P.; Bogachev, Alexander V.; Kasparinsky, Felix O. (15 December 2012). Principles of Bioenergetics. Springer Science & Business Media. p. 252. ISBN 978-3-642-33430-6.
  3. ^ Agteresch, Hendrik J.; Dagnelie, Pieter C.; van den Berg, J Willem; Wilson, J H. (1999). "Adenosine Triphosphate". Drugs. 58 (2): 211–232. doi:10.2165/00003495-199958020-00002. ISSN 0012-6667. PMID 10473017. S2CID 46974766.
  4. ^ Lambeth DO, Tews KN, Adkins S, Frohlich D, Milavetz BI (2004). "Expression of two succinyl-CoA synthetases with different nucleotide specificities in mammalian tissues". The Journal of Biological Chemistry. 279 (35): 36621–4. doi:10.1074/jbc.M406884200. PMID 15234968.
  5. ^ Ottaway JH, McClellan JA, Saunderson CL (1981). "Succinic thiokinase and metabolic control". The International Journal of Biochemistry. 13 (4): 401–10. doi:10.1016/0020-711x(81)90111-7. PMID 6263728.
  6. ^ Lambeth DO (2002). "What is the function of GTP produced in the Krebs citric acid cycle?". IUBMB Life. 54 (3): 143–4. doi:10.1080/15216540214539. PMID 12489642.
  7. ^ Wilson DF, Erecińska M, Schramm VL (1983). "Evaluation of the relationship between the intra- and extramitochondrial ATP/ADP ratios using phosphoenolpyruvate carboxykinase". The Journal of Biological Chemistry. 258 (17): 10464–73. PMID 6885788.
  8. ^ Johnson JD, Mehus JG, Tews K, Milavetz BI, Lambeth DO (1998). "Genetic evidence for the expression of ATP- and GTP-specific succinyl-CoA synthetases in multicellular eucaryotes". The Journal of Biological Chemistry. 273 (42): 27580–6. doi:10.1074/jbc.273.42.27580. PMID 9765291.
  9. ^ Chinopoulos, C; Gerencser, AA; Mandi, M; Mathe, K; Töröcsik, B; Doczi, J; Turiak, L; Kiss, G; Konràd, C; Vajda, S; Vereczki, V; Oh, RJ; Adam-Vizi, V (2010). "Forward operation of adenine nucleotide translocase during F0F1-ATPase reversal: critical role of matrix substrate-level phosphorylation". FASEB J. 24 (7): 2405–16. doi:10.1096/fj.09-149898. PMC 2887268. PMID 20207940.
  10. ^ Chinopoulos, C (2011). "Mitochondrial consumption of cytosolic ATP: not so fast". FEBS Lett. 585 (9): 1255–9. doi:10.1016/j.febslet.2011.04.004. PMID 21486564. S2CID 24773903.
  11. ^ Chinopoulos, C (2011). "The "B space" of mitochondrial phosphorylation". J Neurosci Res. 89 (12): 1897–904. doi:10.1002/jnr.22659. PMID 21541983.