底物水平磷酸化

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底物水平磷酸化(粵讀:dai² mat⁶ seoi² ping⁴ leon⁴ syun¹ faa³英文Substrate-level phosphorylation)係指一類以從磷酸化嘅活性中間體直接傳遞同提供磷醯基(PO3)畀腺苷二磷酸(ADP)或鳥苷二磷酸(GDP)嘅方式致使形成同製造腺苷三磷酸(ATP)或鳥苷三磷酸(GTP)嘅化學反應。然而按照慣例,被傳遞嘅磷醯基指嘅就係磷酸基。

除咗發生喺糖酵解同三羧酸循環之中嘅底物水平磷酸化之外,製造腺苷三磷酸嘅另一條路徑係氧化磷酸化作用,呢一作用發生喺細胞呼吸嘅過程之中。喺氧化磷酸化期間,還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸被氧化為氧化型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸,生成2.5分子嘅腺苷三磷酸,而還原黃素腺嘌呤二核苷酸被氧化時則生成1.5分子嘅腺苷三磷酸。氧化磷酸化利用跨線粒體膜嘅電化學或化學滲透質子梯度以生產腺苷三磷酸,呢點係與底物水平磷酸化之間最大嘅唔同。

唔好似氧化磷酸化氧化磷酸化呢兩個過程喺底物水平磷酸化過程中並未聯繫喺一齊,儘管呢兩種磷酸化都會令到腺苷三磷酸生成並且喺分解代謝氧化過程中常會得到活性中間體。然而通常情況下多數嘅腺苷三磷酸係喺有氧或無氧呼吸嘅氧化磷酸化過程中形成嘅。底物水平磷酸化充當腺苷三磷酸嘅快速來源,而唔依賴額外嘅電子受體以及呼吸作用。呢種情況例如人類紅細胞,其中冇線粒體,或係缺氧狀態下嘅肌肉細胞。底物水平磷酸化嘅主要部分發生喺細胞質中,為糖酵解嘅一部分;以及喺有氧與無氧環境中嘅線粒體中,為三羧酸循環嘅一部分。

糖酵解嘅放能階段,底物水平磷酸化生成咗四分子嘅腺苷三磷酸:其中兩分子係喺1,3-二磷酸甘油酸轉變為3-磷酸甘油酸嘅過程中被磷酸甘油酸激酶將磷酸基轉到腺苷二磷酸上嘅;另外兩分子係喺磷酸烯醇式丙酮酸轉變為丙酮酸嘅過程中被丙酮酸激酶將磷酸基轉到腺苷二磷酸上嘅。第一步係喺3-磷酸甘油醛與一分子嘅無機磷酸被磷酸甘油醛脫氫酶轉變為1,3-二磷酸甘油酸之後發生嘅。喺接下來獨立嘅步驟(區別於氧化磷酸化嘅重要步驟)中,通過磷酸甘油酸激酶嘅作用,將1,3-二磷酸甘油酸分子上嘅高能磷酸基團轉移到腺苷二磷酸上,生成3-磷酸甘油酸。因為腺苷三磷酸從無機磷酸基團中生成出來,此步驟導致咗糖酵解過程中嘅能量收穫。第二個底物水平磷酸化喺之後發生:喺丙酮酸激酶嘅作用下通過磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)反應而生成丙酮酸。此反應重新生成咗喺糖酵解準備階段用於將葡萄糖活化為葡萄糖-6-磷酸以及將果糖-6-磷酸活化為果糖-1,6-二磷酸而耗去嘅腺苷三磷酸。

一旦糖酵解嘅產物丙酮酸進入線粒體基質,丙酮酸就被轉變為乙酸酯並結合到輔酶A上以生成乙醯輔酶A並進入三羧酸循環。然而三羧酸循環係需氧呼吸,底物水平磷酸化嘅另一個例子就發生喺琥珀醯輔酶A轉換為琥珀酸時,鳥苷二磷酸通過被轉上一個磷酸基團而生成咗鳥苷三磷酸(GTP)。此磷酸基團喺另一個底物水平磷酸化事件中被轉移到腺苷二磷酸上。催化此反應嘅酶係琥珀醯輔酶A合成酶

另一種形式嘅底物水平磷酸化見於工作中嘅骨骼肌與大腦之中。磷酸肌酸作為一種便利現成嘅補充物被儲存起來,肌酸磷酸激酶將磷酸基團從磷酸肌酸轉移到腺苷二磷酸上而生成腺苷三磷酸。接著腺苷三磷酸釋放所匯存嘅化學能。

除此之外,底物水平磷酸化亦喺發酵過程中見得到,例如異質乳酸發酵、丁酸發酵與丙酸發酵等。