Η φωσφορυλίωση υποστρώματος, που ονομάζεται επίσης φωσφορυλίωση σε επίπεδο υποστρώματος, είναι μια βιοχημική διαδικασία με την οποία τα κύτταρα παράγουν τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP) από διφωσφορική αδενοσίνη (ADP). Αυτή η διαδικασία συμβαίνει στο κυτταρόπλασμα και είναι ένα σημαντικό βήμα στη μεταβολική οδό που είναι γνωστή ως γλυκόλυση. Το ATP είναι ένας συμπαράγοντας ή συνένζυμο, που σημαίνει ότι, αν και δεν είναι η ίδια πρωτεΐνη, είναι απαραίτητο για την ώθηση των αντιδράσεων, τη μεταφορά ενέργειας και τη λειτουργία ως πηγή καυσίμου για το κύτταρο.
Προκειμένου να παραχθεί ATP μέσω φωσφορυλίωσης υποστρώματος, μια ανόργανη φωσφορική ομάδα πρέπει να μεταφερθεί στο ADP από ένα πιο ενεργητικό μόριο. Η ομάδα φωσφορικών αποτελείται από τέσσερα άτομα οξυγόνου συνδεδεμένα με ένα κεντρικό άτομο φωσφόρου και φέρει αρνητικό φορτίο. Ένα ένζυμο μεσολαβεί στην αντίδραση μεταξύ της ADP και της φωσφορικής ένωσης. Τα προϊόντα της αντίδρασης είναι το ΑΤΡ και μια άλλη ένωση που αποτελείται από υδρογόνο, οξυγόνο και μερικές φορές φώσφορο. Λαμβάνοντας συνολικά την αντίδραση, μπορούμε να οραματιστούμε την ADP, με τις δύο φωσφορικές της ομάδες, να μετατρέπονται σε ATP, ένα μόριο με τρεις φωσφορικές ομάδες, μέσω της προσθήκης μιας φωσφορικής ομάδας από ένα άλλο μόριο.
Η φωσφορυλίωση του υποστρώματος λαμβάνει χώρα δύο φορές κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης, μια μεταβολική οδό πολλαπλών σταδίων που είναι απαραίτητη για τους ζωντανούς οργανισμούς. Στη γλυκόλυση, η γλυκόζη του σακχάρου μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό οργανικό οξύ και ATP. Αυτή η διαδικασία βρίσκεται στον πυρήνα του μεταβολισμού, επιτρέποντας στους οργανισμούς να μετατρέψουν τη ζάχαρη που αποκτούν από τα θρεπτικά συστατικά σε ενέργεια.
Κατά τη διάρκεια του πρώιμου σταδίου φωσφορυλίωσης του υποστρώματος στη γλυκόλυση, μια φωσφορική ομάδα μεταφέρεται στο ADP από μια ένωση που ονομάζεται 1,3-διφωσφογλυκερικό. Τα δύο υποστρώματα, το ADP και το 1,3-διφωσφογλυκερικό, συνδέονται με το ένζυμο φωσφογλυκερική κινάση, το οποίο καταλύει την αντίδραση. Παράγεται ATP και 3-φωσφογλυκερικό.
Το τελικό στάδιο της γλυκόλυσης περιλαμβάνει επίσης τη φωσφορυλίωση του υποστρώματος. Η φωσφοενολοπυρουβική, μια φωσφορική ένωση υψηλής ενέργειας, μεταφέρει την φωσφορική της ομάδα στην ADP μέσω του ενζύμου πυροσταφυλική κινάση. Τα προϊόντα είναι το ATP και το πυροσταφυλικό, ένα μόριο που αποτελείται από υδρογόνο και οξυγόνο.
Η φωσφορυλίωση του υποστρώματος ρυθμίζεται από εξωτερικούς παράγοντες και μπορεί να μην συμβαίνει πάντα κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης. Όταν ένα κύτταρο έχει μεγάλη ποσότητα ATP αλλά λίγο ADP, για παράδειγμα, η αντίδραση μπορεί να μην προχωρήσει επειδή δεν υπάρχει αρκετό ADP για χρήση. Η ίδια η παρουσία του ATP μπορεί επίσης να αναστείλει τα εμπλεκόμενα ένζυμα.
Οι ορμόνες παίζουν επίσης ρόλο στη ρύθμιση της γλυκόλυσης. Το χαμηλό επίπεδο γλυκόζης στο αίμα, γνωστό και ως χαμηλό σάκχαρο στο αίμα, έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή γλυκαγόνης. Αυτή η ορμόνη παράγεται στο πάγκρεας και αυξάνει το σάκχαρο στο αίμα. Αναστέλλει τη δραστηριότητα της πυροσταφυλικής κινάσης στο τελικό στάδιο γλυκόλυσης, εμποδίζοντας τη φωσφορυλίωση του υποστρώματος.