基質レベルリン酸化

基質レベルリン酸化は、 ADPまたはGDPをATPまたはGTPにリン酸化することで、別の高エネルギー結合から放出されるエネルギーによって支えられ、ATPまたはGTPを生成する代謝反応です（クレアチンキナーゼによって触媒される反応は「基質レベルリン酸化」とはみなされません）。このプロセスでは、放出された化学エネルギー、すなわちギブズ自由エネルギーの一部を使用して、リン酸基（PO3 _）をADPまたはGDPに転移します。基質レベルリン酸化は、解糖系とクエン酸回路で起こります。^{[ 1 ]}

酸化的リン酸化とは異なり、基質レベルリン酸化の過程では酸化とリン酸化は連動しておらず、反応性中間体は異化作用における酸化過程で得られることがほとんどです。ATPの大部分は好気呼吸または嫌気呼吸における酸化的リン酸化によって生成されますが、基質レベルリン酸化は外部電子受容体に依存しない、より迅速で効率の低いATP源となります。これは、ミトコンドリアを持たないヒト赤血球や、酸素欠乏状態の筋肉において当てはまります。

基質レベルリン酸化は、解糖系では細胞質で、クエン酸回路ではミトコンドリアで起こる。解糖系の最終段階では、基質レベルリン酸化によって正味2分子のATPが生成される。

最初の基質レベルリン酸化は、グリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼによって3-ホスホグリセルアルデヒド、P _i、NAD ^+が1,3-ビスホスホグリセリン酸に変換された後に起こる。次に、1,3-ビスホスホグリセリン酸はホスホグリセリン酸キナーゼによって脱リン酸化され、基質レベルリン酸化によって3-ホスホグリセリン酸とATPが生成される。

2番目の基質レベルリン酸化は、ピルビン酸キナーゼによって触媒されるホスホエノールピルビン酸の脱リン酸化によって起こり、ピルビン酸とATPが生成される。

準備段階では、6炭素のグルコース分子が2つの3炭素分子に分解されます。したがって、解糖系における基質レベルリン酸化では4分子のATPが生成されます。しかし、その前の準備段階で2分子のATPが消費されるため、解糖系における正味の収量は2分子のATPとなります。また、2分子のNADHも生成され、酸化的リン酸化に利用されてさらにATPが生成されます。

ATPは、プロトン駆動力とは独立した経路で、ミトコンドリアにおける基質レベルリン酸化によって生成される。ミトコンドリアマトリックスには、ホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼ、コハク酸-CoAリガーゼ、または単機能C1-テトラヒドロ葉酸シンターゼのいずれかを利用する、基質レベルリン酸化が可能な3つの反応が存在する。

骨格筋や脳では、ホスホクレアチンがすぐに利用できる高エネルギーリン酸源として貯蔵されており、クレアチンキナーゼという酵素がホスホクレアチンからADPにリン酸基を転移させてATPを生成します。そして、生成されたATPは細胞プロセスによって有用な働きをするために利用されます。クレアチンキナーゼ反応は、基質レベルリン酸化と誤って考えられることがありますが、実際はトランスリン酸化です。

無酸素状態では、マトリックスにおける基質レベルリン酸化によるATPの供給は、単なるエネルギー源としてだけでなく、アデニンヌクレオチドトランスロケーターを「順方向モード」に維持してATPを細胞質に運ぶことで、ミトコンドリアが解糖系ATP貯蔵量を酷使するのを防ぐためにも重要である。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

ATPを生成する別の方法として、細胞呼吸中に起こる酸化的リン酸化があります。このプロセスでは、 NADHがNAD ⁺に酸化されて3分子のATPが生成され、FADH2が_FADに酸化されて2分子のATPが生成されます。ADPと_Pi （無機リン酸分子）からATPを生成するには、ミトコンドリア内膜を横切るプロトン（H ^{+ ）の}電気化学的勾配として蓄えられたポテンシャルエネルギーが必要であり、これは基質レベルリン酸化との重要な違いです。この勾配は、ATPシンターゼが孔として機能し、ミトコンドリア膜間腔からH ^+が電気化学的勾配に従ってマトリックスに移動することを可能にし、自由エネルギーの放出をATP合成と連動させることで利用されます。逆に、電子伝達は、H ^+をマトリックスから能動的にポンプで排出するために必要なエネルギーを提供します。