सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन

सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन एक चयापचय प्रतिक्रिया है जिसके परिणामस्वरूप एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट या गुआनोसिन ट्राइफॉस्फेट का उत्पादन होता है जो अन्य उच्च-ऊर्जा बंधन से प्रारंभ ऊर्जा द्वारा समर्थित होता है जो एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट या ग्वानोसिन ट्राइफॉस्फेट के एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट या ग्वानोसिन ट्राइफॉस्फेट के फॉस्फोराइलेशन की ओर जाता है (ध्यान दें कि क्रिएटिन किनेज़ द्वारा उत्प्रेरित होती है)। "सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन" के रूप में नहीं माना जाता है)। यह प्रक्रिया फॉस्फोरिल (PO3) समूह को एडीपी या जीडीपी में स्थानांतरित करने के लिए प्रारंभ की गई कुछ रासायनिक ऊर्जा, गिब्स मुक्त ऊर्जा का उपयोग करती है) ग्लाइकोलाइसिस और साइट्रिक एसिड चक्र में होता है। ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन के विपरीत, सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन की प्रक्रिया में ऑक्सीकरण और फॉस्फोराइलेशन युग्मित नहीं होते हैं, और अपचय में ऑक्सीकरण प्रक्रियाओं के समय प्रतिक्रियाशील मध्यवर्ती सबसे अधिक प्राप्त होते हैं। अधिकांश एटीपी एरोबिक श्वसन या एनारोबिक श्वसन में ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन द्वारा उत्पन्न होता है, जबकि सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन एटीपी का तीव्र, कम कुशल स्रोत प्रदान करता है, जो बाहरी इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता से स्वतंत्र होता है। यह मानव एरिथ्रोसाइट्स में स्तिथि है, जिसमें कोई माइटोकांड्रिया नहीं है, और ऑक्सीजन-रहित मांसपेशियों में है।

अवलोकन
एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट (एटीपी) कोशिका की प्रमुख "ऊर्जा मुद्रा" है। सेल फ़ंक्शन के सभी विषयों में उपयोग की जाने वाली विभिन्न प्रतिक्रियाओं को शक्ति प्रदान करने के लिए फॉस्फेट समूहों के मध्य उच्च ऊर्जा बंधन को विभक्त किया जा सकता है।

सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन ग्लाइकोलाइसिस के समय और माइटोकॉन्ड्रिया में कोशिकाओं के साइटोप्लाज्म में या तो क्रेब्स चक्र के समय या एमटीएचएफडी1एल (EC 6.3.4.3) द्वारा होता है, एंजाइम जो एडीपी + फॉस्फेट + 10-फॉर्माइलटेट्राहाइड्रोफोलेट को एटीपी + फॉर्मेट + टेट्राहाइड्रोफोलेट में परिवर्तित करता है। एरोबिक और एनारोबिक दोनों स्थितियों में ग्लाइकोलाइसिस के भुगतान चरण में, सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन द्वारा 2 एटीपी का नेट उत्पन्न होता है।

ग्लाइकोलाइसिस
प्रथम सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट डिहाइड्रोजनेज के माध्यम से 3-फॉस्फोग्लिसराल्डिहाइड और पीआई और एनएडी + के 1, 3-बिस्फोस्फोग्लिसरेट में रूपांतरण के पश्चात होता है। 1, 3-बिस्फोस्फोग्लिसरेट को फिर फ़ॉस्फ़ोग्लीसेरेट काइनेज़ के माध्यम से डिफॉस्फोराइलेट किया जाता है, जिससे सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन के माध्यम से 3-फॉस्फोग्लाइसेरेट और एटीपी का उत्पादन होता है।

दूसरा सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन फॉस्फोनिओलपाइरूवेट को डीफॉस्फोराइलेट करके होता है, जो [[पाइरूवेट किनेज]] द्वारा उत्प्रेरित होता है, जिससे पाइरूवेट और एटीपी का उत्पादन होता है।

प्रारंभिक चरण के समय, प्रत्येक 6-कार्बन ग्लूकोज अणु दो 3-कार्बन अणुओं में विभक्त हो जाता है। इस प्रकार, ग्लाइकोलाइसिस डिफॉस्फोराइलेशन के परिणामस्वरूप 4 एटीपी का उत्पादन होता है। चूँकि, प्रारंभिक चरण में 2 एटीपी का व्यय होता है, इसलिए ग्लाइकोलाइसिस में शुद्ध उपज 2 एटीपी है। एनएडीएच के 2 अणु भी उत्पादित होते हैं और अधिक एटीपी उत्पन्न करने के लिए ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन में इसका उपयोग किया जा सकता है।

माइटोकॉन्ड्रिया
एटीपी को माइटोकॉन्ड्रिया में सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन द्वारा ऐसे मार्ग में उत्पन्न किया जा सकता है जो प्रोटॉन प्रेरक बल से स्वतंत्र है। माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स में तीन प्रतिक्रियाएं होती हैं जो सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन में सक्षम होती हैं, या तो फ़ॉस्फ़ोएनोलपाइरुवेट कार्बोक्सीकिनेज़ या सक्सिनेट सीओए लिगेज, मोनोफंक्शनल सी 1-टेट्राहाइड्रोफोलेट सिंथेज़ का उपयोग करती हैं।

फॉस्फोएनोलपाइरुवेट कार्बोक्सीकिनेज़
ऐसा माना जाता है कि माइटोकॉन्ड्रियल फॉस्फोएनोलपाइरूवेट कार्बोक्सीकिनेज़ मैट्रिक्स से साइटोसोल और इसके विपरीत फॉस्फोराइलेशन क्षमता के स्थानांतरण में भाग लेता है।    चूँकि, यह जीटीपी हाइड्रोलिसिस के पक्ष में है, इस प्रकार इसे वास्तव में इंट्रा-माइटोकॉन्ड्रियल सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन का महत्वपूर्ण स्रोत नहीं माना जाता है।

सक्सिनेट-सीओए लिगेज
सक्सिनेट-सीओए लिगेज हेटेरोडिमर है जो अपरिवर्तनीय α-सबयूनिट और सब्सट्रेट-विशिष्ट ß-सबयूनिट से बना है, जो SUCLA2 या SUCLG2 द्वारा एन्कोड किया गया है। इस संयोजन के परिणामस्वरूप या तो एडीपी-फोर्मिंग सक्सिनेट-सीओए लिगेज (ए-एसयूसीएल, ईसी 6.2.1.5) या जीडीपी फोर्मिंग सक्सिनेट-सीओए लिगेज (जी-एसयूसीएल, ईसी 6.2.1.4) होता है। एडीपी-फोर्मिंग सक्सिनेट-सीओए लिगेज संभावित रूप से प्रोटॉन प्रेरक बल की अनुपस्थिति में एटीपी उत्पन्न करने वाला मात्र मैट्रिक्स एंजाइम है, जो क्षणिक हाइपोक्सिया (चिकित्सा) जैसी ऊर्जा-सीमित स्थितियों के अंतर्गत मैट्रिक्स एटीपी लेवल को बनाए रखने में सक्षम है।

मोनोफंक्शनल सी1-टेट्राहाइड्रोफोलेट सिंथेज़
यह एंजाइम MTHFD1L द्वारा एन्कोड किया गया है और एडीपी + फॉस्फेट + 10-फॉर्माइलटेट्राहाइड्रोफोलेट को एटीपी + फॉर्मेट + टेट्राहाइड्रोफोलेट में विपरीत रूप से परिवर्तित करता है।

अन्य प्रणाली
स्केलेटल मसल्स की मांसपेशियों और मस्तिष्क में, फॉस्फोक्रिएटिन को सरलता से उपलब्ध उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट आपूर्ति के रूप में संग्रहित किया जाता है, और एंजाइम क्रिएटिन फॉस्फोकाइनेज एटीपी का उत्पादन करने के लिए फॉस्फोस्रीटाइन से एडीपी में फॉस्फेट को स्थानांतरित करता है। फिर एटीपी रासायनिक ऊर्जा देता है। इसे कभी-कभी त्रुटिपूर्ण से सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन माना जाता है, चूँकि यह ट्रांसफॉस्फोराइलेशन है।

एनोक्सिया में सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन का महत्व
एनोक्सिया (चिकित्सा) के समय, मैट्रिक्स में सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन द्वारा एटीपी का प्रावधान न केवल ऊर्जा के साधन के रूप में महत्वपूर्ण है, अन्यथा एटीपी को 'फॉरवर्ड मोड' में एडेनिन न्यूक्लियोटाइड ट्रांसलोकेटर को बनाए रखते हुए माइटोकॉन्ड्रिया को ग्लाइकोलाइटिक एटीपी भंडार पर दबाव डालने से अवरोध करने के लिए भी महत्वपूर्ण है।

ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन
एटीपी बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली वैकल्पिक विधि ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन है, जो सेलुलर श्वसन के समय होती है। यह प्रक्रिया NADH के ऑक्सीकरण का उपयोग NAD+ में करती है, जिससे 3 एटीपी प्राप्त होती है, और FADH2 से FAD में ऑक्सीकरण होता है, जिससे 2 ATP प्राप्त होता है। आंतरिक माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली में (H +) के इलेक्ट्रोकेमिकल ग्रेडिएंट के रूप में संग्रहीत संभावित ऊर्जा को एडीपी और पीआई (अकार्बनिक फॉस्फेट अणु) से एटीपी उत्पन्न करने की आवश्यकता होती है, जो सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन से महत्वपूर्ण अंतर है। इस ग्रेडिएंट का उपयोग एटीपी सिंथेज़ द्वारा छिद्र के रूप में कार्य करके किया जाता है, जो माइटोकॉन्ड्रियल इंटरमेम्ब्रेन स्पेस से H+ को अपने इलेक्ट्रोकेमिकल ग्रेडिएंट को मैट्रिक्स में नीचे ले जाने और एटीपी संश्लेषण के लिए मुक्त ऊर्जा को युग्मित करने की अनुमति देता है। इसके विपरीत, इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण मैट्रिक्स से H+ को सक्रिय रूप से पंप करने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान करता है।