सब्सट्रेट-लेवल फॉस्फोराइलेशन

सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन एक चयापचय प्रतिक्रिया है जिसके परिणामस्वरूप एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट या गुआनोसिन ट्राइफॉस्फेट का उत्पादन होता है जो एक अन्य उच्च-ऊर्जा बंधन से जारी 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 काइनेज द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रिया को सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन नहीं माना जाता है)। यह प्रक्रिया फॉस्फोरिल (पीओ) को स्थानांतरित करने के लिए कुछ जारी रासायनिक ऊर्जा, गिब्स मुक्त ऊर्जा का उपयोग करती है3) समूह से एडीपी या जीडीपी। ग्लाइकोलाइसिस और साइट्रिक एसिड चक्र में होता है। ऑक्सीडेटिव फाृॉस्फॉरिलेशन के विपरीत, सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन की प्रक्रिया में ऑक्सीकरण और फॉस्फोराइलेशन युग्मित नहीं होते हैं, और अपचय में ऑक्सीकरण प्रक्रियाओं के दौरान प्रतिक्रियाशील मध्यवर्ती सबसे अधिक बार प्राप्त होते हैं। अधिकांश एटीपी एरोबिक श्वसन या अवायवीय श्वसन में ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन द्वारा उत्पन्न होता है, जबकि सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन एटीपी का एक तेज़, कम कुशल स्रोत प्रदान करता है, जो बाहरी इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता से स्वतंत्र होता है। यह मानव एरिथ्रोसाइट्स में मामला है, जिसमें कोई माइटोकांड्रिया  नहीं है, और ऑक्सीजन-रहित मांसपेशियों में।

अवलोकन
एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट (एटीपी) कोशिका की एक प्रमुख ऊर्जा मुद्रा है। सेल फ़ंक्शन के सभी पहलुओं में उपयोग की जाने वाली विभिन्न प्रतिक्रियाओं को शक्ति प्रदान करने के लिए फॉस्फेट समूहों के बीच उच्च ऊर्जा बंधन को तोड़ा जा सकता है। सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन ग्लाइकोलाइसिस के दौरान और माइटोकॉन्ड्रिया में कोशिकाओं के साइटोप्लाज्म में या तो क्रेब्स चक्र के दौरान या MTHFD1L (EC 6.3.4.3) द्वारा होता है, एक एंजाइम जो ADP + को आपस में परिवर्तित करता है। फॉस्फेट + 10-फॉर्माइलटेट्राहाइड्रोफोलेट से एटीपी + फॉर्मेट + टेट्राहाइड्रोफोलेट (प्रतिवर्ती रूप से), सेलुलर श्वसन#एरोबिक श्वसन और एनारोबिक श्वसन दोनों स्थितियों के तहत। ग्लाइकोलाइसिस#पे-ऑफ चरण|ग्लाइकोलाइसिस के पे-ऑफ चरण में, सब्सट्रेट-स्तर फॉस्फोराइलेशन द्वारा 2 एटीपी का एक जाल उत्पन्न होता है।

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

दूसरा सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन फ़ॉस्फ़ोएनोलपाइरुवेट को डीफॉस्फोराइलेट करके होता है, जो [[पाइरूवेट किनासे]] द्वारा उत्प्रेरित होता है, जिससे पाइरूवेट और एटीपी का उत्पादन होता है।

प्रारंभिक चरण के दौरान, प्रत्येक 6-कार्बन ग्लूकोज अणु दो 3-कार्बन अणुओं में टूट जाता है। इस प्रकार, ग्लाइकोलाइसिस डिफॉस्फोराइलेशन के परिणामस्वरूप 4 एटीपी का उत्पादन होता है। हालाँकि, प्रारंभिक प्रारंभिक चरण में 2 एटीपी की खपत होती 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 फास्फारिलीकरण में इसका उपयोग किया जा सकता है।

माइटोकॉन्ड्रिया
एटीपी को माइटोकॉन्ड्रिया में सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन द्वारा एक ऐसे मार्ग में उत्पन्न किया जा सकता है जो प्रोटॉन प्रेरक बल से स्वतंत्र है। माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स में तीन प्रतिक्रियाएं होती हैं जो सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन में सक्षम होती हैं, या तो फ़ॉस्फ़ोएनोलपाइरुवेट कार्बोक्सीकिनेज़ या स्यूसिनिल कोएंजाइम ए सिंथेटेज़|सक्सिनेट-सीओए लिगेज, या एमटीएचएफडी1एल|मोनोफंक्शनल सी1-टेट्राहाइड्रोफोलेट सिंथेज़ का उपयोग करती हैं।

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

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

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

अन्य तंत्र
कामकाजी कंकाल की मांसपेशियों और मस्तिष्क में, फॉस्फोक्रिएटिन को आसानी 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 गलती से सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन माना जाता है, हालांकि यह एक ट्रांसफॉस्फोराइलेशन है।

एनोक्सिया में सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन का महत्व
हाइपोक्सिया (चिकित्सा) के दौरान, मैट्रिक्स में सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन द्वारा एटीपी का प्रावधान न केवल ऊर्जा के एक साधन के रूप में महत्वपूर्ण है, बल्कि एडेनिन न्यूक्लियोटाइड ट्रांसलोकेटर को 'फॉरवर्ड मोड' में बनाए रखते हुए माइटोकॉन्ड्रिया को ग्लाइकोलाइटिक एटीपी भंडार पर दबाव डालने से रोकने के लिए भी महत्वपूर्ण है। साइटोसोल की ओर ए.टी.पी.

ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण
एटीपी बनाने के लिए इस्तेमाल की जाने वाली एक वैकल्पिक विधि ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन है, जो सेलुलर श्वसन के दौरान होती है। यह प्रक्रिया NADH से NAD के ऑक्सीकरण का उपयोग करती है+, 3 एटीपी और एफएडीएच का उत्पादन2 एफएडी के लिए, 2 एटीपी का उत्पादन। प्रोटॉन की विद्युत रासायनिक प्रवणता के रूप में संग्रहित स्थितिज ऊर्जा (H+) आंतरिक माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली में एडीपी और पी से एटीपी उत्पन्न करने की आवश्यकता होती हैi (अकार्बनिक फॉस्फेट अणु), सब्सट्रेट-स्तर फॉस्फोराइलेशन से एक महत्वपूर्ण अंतर। इस ग्रेडिएंट का उपयोग एटीपी सिंथेज़ द्वारा एक छिद्र के रूप में कार्य करके किया जाता है, जिससे एच की अनुमति मिलती है+माइटोकॉन्ड्रियल इनतेरमेम्ब्रेन स्पेस से अपने इलेक्ट्रोकेमिकल ग्रेडिएंट को मैट्रिक्स में नीचे ले जाने और एटीपी संश्लेषण के लिए मुक्त ऊर्जा की रिहाई को युग्मित करने के लिए। इसके विपरीत, इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण एच को सक्रिय रूप से पंप करने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान करता है+मैट्रिक्स से बाहर।