Субстратное фосфорилирование: определение, реакции и особенности
Субстратное фосфорилирование - важный процесс синтеза АТФ в клетке. Он позволяет вырабатывать энергию в анаэробных условиях при недостатке кислорода. Давайте подробно разберем, что это такое.
Определение субстратного фосфорилирования
Субстратное фосфорилирование - это синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты с использованием энергии высокоэнергетического субстрата. В отличие от окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи, оно:
- Не зависит от наличия кислорода
- Происходит в цитозоле, а не на мембранах
- Катализируется растворимыми ферментами метаболизма
При субстратном фосфорилировании происходит перенос фосфатной группы с органического вещества-субстрата на молекулу АДФ с образованием АТФ. Такие субстраты называются макроэргическими соединениями, поскольку содержат высокоэнергетические связи. Примерами реакций субстратного фосфорилирования могут служить:
- В гликолизе - на уровне 1,3-ДФГ и ФЭП
- В цикле Кребса - на уровне сукцинил-КоА
- С использованием креатинфосфата в мышцах
Субстратное фосфорилирование в цикле Кребса
В цикле Кребса субстратным фосфорилированием синтезируется одна молекула АТФ на каждый оборот цикла. Это происходит в реакции:
Сукцинил-КоА + Фн + АДФ -> сукцинат + КоА-SH + АТФ
Реакцию катализирует фермент сукцинаттиокиназа. Далее подробнее рассмотрим значение и особенности этого процесса...
Значение субстратного фосфорилирования
Субстратное фосфорилирование важно для клетки, так как позволяет быстро синтезировать АТФ в анаэробных условиях при недостатке кислорода.
Например, эритроциты получают энергию исключительно из субстратного фосфорилирования гликолиза, поскольку не имеют митохондрий. Также working скелетные мышцы и нервные клетки используют энергию креатинфосфата, синтезированного в печени путем субстратного фосфорилирования.
Макроэргические соединения
Как уже упоминалось, субстратами для реакций субстратного фосфорилирования служат макроэргические соединения. Это вещества, содержащие высокоэнергетические связи, за счет расщепления которых выделяется энергия для синтеза АТФ.
Различают несколько типов таких соединений:
- Фосфоангидриды (все нуклеотиды)
- Тиоэфиры (ацильные производные кофермента А)
- Гуанидинфосфаты (креатинфосфат)
- Ацилфосфаты (1,3-ДФГ)
- Енолфосфаты (ФЭП)
| Тип соединения | Пример | Энергия гидролиза, ккал/моль |
| Фосфоангидриды | АТФ | 7,3 |
Субстраты субстратного фосфорилирования
Основные субстраты, участвующие в реакциях субстратного фосфорилирования:
- 1,3-дифосфоглицериновая кислота
- Фосфоенолпируват
- Сукцинил-КоА
- Креатинфосфат
Ферменты субстратного фосфорилирования
Ключевые ферменты, катализирующие реакции субстратного фосфорилирования:
- Фосфоглицеральдегиддегидрогеназа (ГАФД)
- Енолаза
- α-кетоглутаратдегидрогеназа
- Сукцинаттиокиназа
Регуляция субстратного фосфорилирования
Активность ферментов субстратного фосфорилирования регулируется:
- Энергетическим статусом клетки
- Гормонами (инсулин, глюкагон)
- Экспрессией генов
Такая регуляция необходима для адаптации организма к меняющимся условиям и потребностям в энергии...
Регуляция активности ферментов
Активность ферментов субстратного фосфорилирования регулируется разными механизмами:
- Изменение концентрации субстратов и продуктов реакции
- Фосфорилирование/дефосфорилирование белковой части ферментов
- Связывание с эффекторными молекулами (активаторами/ингибиторами)
Например, активность ГАФД в гликолизе ингибируется при высоком уровне АТФ и ФЭП, поскольку реакция становится термодинамически невыгодной. Таким образом регулируется интенсивность субстратного фосфорилирования в клетке.
Влияние энергетического статуса
При высоком уровне АТФ в клетке замедляются реакции гликолиза и цикла Кребса, включая этапы субстратного фосфорилирования. Это приводит к накоплению исходных субстратов.
Наоборот, при низком уровне АТФ активируются ферменты субстратного фосфорилирования, стимулируя синтез дополнительных молекул АТФ. Так поддерживается энергетический гомеостаз.
Гормональная регуляция
Синтез и активность многих ферментов субстратного фосфорилирования контролируется гормонами. Например:
- Инсулин стимулирует поглощение глюкозы и гликолиз
- Глюкагон, норадреналин и глюкокортикоиды активируют распад гликогена и глюконеогенез
Генетическая регуляция
Экспрессия генов ферментов субстратного фосфорилирования зависит от потребностей клетки в энергии и определяется такими факторами как:
- Доступность питательных веществ
- Уровни гормонов и сигнальных молекул
- Физическая активность тканей
Патология субстратного фосфорилирования
Нарушения субстратного фосфорилирования наблюдаются при мышечной дистрофии Дюшенна, болезни Паркинсона, синдроме хронической усталости и других заболеваниях. Это связано с мутациями ферментов или истощением запасов креатинфосфата...
Мутации генов ферментов
Наследственные нарушения субстратного фосфорилирования часто связаны с мутациями в генах, кодирующих ферменты:
- Мутация гена PYGM при гликогенозе V типа приводит к дефициту фосфорилазы в мышцах
- Мутации гена DMD вызывают дефект дистрофина и нарушение обмена креатинфосфата
Это ведет к накоплению субстратов, снижению выработки АТФ и развитию клинических симптомов заболеваний.
Приобретенные дефекты ферментов
Нарушения субстратного фосфорилирования могут возникать и приобретенно - вследствие патологических процессов в организме:
- Окислительный стресс
- Воспаление
- Гипоксия тканей
- Токсическое действие лекарств или ядов
Эти факторы вызывают повреждение и инактивацию ферментов субстратного фосфорилирования в клетках.
Недостаточность креатинфосфата
При высоких физических нагрузках в мышцах быстро расходуются запасы креатинфосфата - резервного депо макроэргических фосфатов.
Его истощение замедляет регенерацию АТФ в мышцах, что проявляется слабостью, судорогами, болями и преждевременным утомлением при физической работе.
Подходы к коррекции
Для восстановления субстратного фосфорилирования при различных патологических состояниях применяют:
- Прием креатинсодержащих добавок
- Витаминотерапию
- Ферментозаместительную терапию
- Генную терапию
Эффективность этих методов зависит от причин и тяжести metabolic патологии. Требуется индивидуальный подход к каждому пациенту...