Fosforilación a nivel de sustrato

La fosforilación a nivel de sustrato es una reacción metabólica que da como resultado la producción de ATP o GTP respaldada por la energía liberada de otro enlace de alta energía que conduce a la fosforilación de ADP o GDP a ATP o GTP. (tenga en cuenta que la reacción catalizada por la creatina quinasa no se considera "fosforilación a nivel de sustrato"). Este proceso utiliza parte de la energía química liberada, la energía libre de Gibbs, para transferir un grupo fosforilo (PO₃) a ADP o PIB. 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 intermediarios 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.

Descripción general

Adenosine triphosphate (ATP) es una "moneda energética" importante de la célula. Los lazos de alta energía entre los grupos de fosfato se pueden romper para potenciar 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), tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas. En la fase de liquidación de la glucólisis, se produce una cantidad neta de 2 ATP mediante 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 la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa. Luego, el 1,3-bisfosfoglicerato se desfosforila mediante la fosfoglicerato quinasa, produciendo 3-fosfoglicerato y ATP a través de una fosforilación a nivel de sustrato.

La segunda fosforilación a nivel de sustrato ocurre mediante la desfosforilación del fosfoenolpiruvato, catalizada por la piruvato quinasa, produciendo piruvato y ATP.

Durante la fase preparatoria, cada molécula de glucosa de 6 carbonos se divide en dos moléculas de 3 carbonos. Así, en la glucólisis, la desfosforilación da como resultado la producción de 4 ATP. Sin embargo, la fase preparatoria previa consume 2 ATP, por lo que el rendimiento neto en la glucólisis es de 2 ATP. También se producen 2 moléculas de NADH que pueden usarse en la fosforilación oxidativa para generar más ATP.

Mitocondrias

El ATP puede generarse mediante 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, se ve fuertemente favorecido por la hidrólisis de GTP, por lo que en realidad no se considera una fuente importante de fosforilación a nivel de sustrato intramitocondrial.

Succinato-CoA ligasa

La succinato-CoA ligasa es un heterodímero compuesto por una subunidad α invariante y una subunidad ß específica de sustrato, codificada por SUCLA2 o SUCLG2. Esta combinación da como resultado una succinato-CoA ligasa formadora de ADP (A-SUCL, EC 6.2.1.5) o una succinato-CoA ligasa formadora de GDP (G-SUCL, EC 6.2.1.4). La succinato-CoA ligasa formadora de ADP es potencialmente la única enzima de la matriz que genera ATP en ausencia de una fuerza motriz de protones, 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 y interconvierte reversiblemente ADP + fosfato + 10-formiltetrahidrofolato en ATP + formiato + tetrahidrofolato.

Otros mecanismos

En los músculos esqueléticos que trabajan y en el cerebro, la fosfocreatina se almacena como un suministro de fosfato de alta energía fácilmente disponible, y la enzima creatina fosfoquinasa transfiere un fosfato de la fosfocreatina al ADP para producir ATP. Luego el ATP se libera dando energía química. A veces se considera erróneamente que esto es una fosforilación a nivel de sustrato, aunque se trata de una transfosforilación.

Importancia de la fosforilación a nivel de sustrato en la anoxia

Durante la anoxia, el suministro de ATP mediante la fosforilación a nivel de sustrato en la matriz es importante no sólo como un mero medio de energía, sino también para evitar que las mitocondrias agoten las reservas de ATP glucolítico al mantener el translocador de nucleótidos de adenina en "modo directo" transportando 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 FADH₂ a FAD, produciendo 2 ATP. La energía potencial almacenada como un gradiente electroquímico de protones (H⁺) a través de la membrana mitocondrial interna es necesaria para generar ATP a partir de ADP y P_i (molécula de fosfato inorgánico), una diferencia clave de la fosforilación a nivel de sustrato. Este gradiente es explotado por la ATP sintasa que actúa como un poro, permitiendo que el H+ del espacio intermembrana mitocondrial descienda por 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.