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 como "fosforilación a nivel de sustrato"). 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. Ocurre en la glucólisis y en el ciclo del ácido cítrico. [1]
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 en el músculo sin oxígeno.
El trifosfato de adenosina (ATP) es una de las principales "monedas energéticas" de la célula. [2] Los enlaces de alta energía entre los grupos fosfato se pueden romper para impulsar una variedad de reacciones que se utilizan en todos los aspectos del funcionamiento celular. [3]
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 + formato + tetrahidrofolato (de manera reversible), tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas . En la fase de recompensa de la glucólisis , se produce una red de 2 ATP por fosforilación a nivel de sustrato.
La primera fosforilación a nivel de sustrato ocurre después de la conversión de 3-fosfogliceraldehído y Pi y NAD+ a 1,3-bisfosfoglicerato a través de la 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 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 descompone en dos moléculas de 3 carbonos. Por lo tanto, 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.
El ATP se puede generar mediante fosforilación a nivel de sustrato en las mitocondrias en una vía que es independiente de la fuerza motriz de protones . En la matriz hay tres reacciones capaces de fosforilación a nivel de sustrato, utilizando la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa o la succinato-CoA ligasa , o la C1-tetrahidrofolato sintasa monofuncional .
Se cree que la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa mitocondrial participa en la transferencia del potencial de fosforilación de la matriz al citosol y viceversa. [4] [5] [6] [7] [8] Sin embargo, está fuertemente favorecida por la hidrólisis de GTP, por lo que realmente no se la considera una fuente importante de fosforilación a nivel de sustrato intramitocondrial.
La succinato-CoA ligasa es un heterodímero compuesto por una subunidad α invariable y una subunidad β específica del 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 .
Esta enzima está codificada por MTHFD1L e interconvierte reversiblemente ADP + fosfato + 10-formiltetrahidrofolato en ATP + formato + tetrahidrofolato.
En los músculos esqueléticos y el cerebro en funcionamiento, la fosfocreatina se almacena como una fuente de fosfato de alta energía y fácilmente disponible, y la enzima creatina fosfoquinasa transfiere un fosfato de la fosfocreatina al ADP para producir ATP. Luego, el ATP se libera y proporciona energía química. A veces se considera erróneamente que se trata de una fosforilación a nivel de sustrato, aunque es una transfosforilación .
Durante la anoxia , el suministro de ATP por 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 manteniendo el translocador de nucleótidos de adenina en "modo directo" transportando ATP hacia el citosol. [9] [10] [11]
Un método alternativo utilizado para crear ATP es a través de 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 es necesaria para generar ATP a partir de ADP y P i (molécula de fosfato inorgánico), una diferencia clave con 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 se mueva 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.
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