Обзор путей расщепления «топливных» молекул

Введение

Представьте, что вы — клетка. Вам только что досталась большая и сочная молекула глюкозы, и вы хотите получить из неё энергию в виде, пригодном для использования в метаболических процессах. Как это сделать? Как можно выжать из молекулы глюкозы максимум энергии и при этом заполучить её в подходящей форме?

К счастью для нас, клетки нашего тела, как и клетки других живых организмов, прекрасно умеют добывать энергию из глюкозы и других органических молекул, таких как жиры и аминокислоты. Мы с вами рассмотрим общую схему расщепления сложных «топливных» молекул в клетках, а затем подробнее разберём для этого процесса некоторые ключевые реакции переноса электронов(окислительно-восстановительные).

Обзор путей расщепления «топливных» молекул

Реакции, при которых из молекул, таких как глюкоза, извлекается энергия, называются реакциями катаболизма. Этот термин означает расщепление больших молекул на мелкие составляющие. Например, глюкоза в присутствии кислорода расщепляется на 6 молекул углекислого газа и 6 молекул воды. Эту реакцию можно записать следующим образом:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂→6CO₂ + 6H₂O ∆G = − 686 ккал/моль

В клетках эта реакция разбивается на более мелкие этапы. Энергия, хранящаяся в связях молекулы глюкозы, высвобождается небольшими порциями, и часть её затем хранится в виде небольших молекул аденозинтрифосфата (АТФ), которые затем используются как поставщики энергии в клетке. Основная часть энергии, полученной из глюкозы, рассеивается в виде тепла, но её остаётся достаточно для поддержания метаболизма клетки.

Структура АТФ.
По мере постепенного расщепления глюкозы, на некоторых этапах высвобождающаяся энергия сохраняется напрямую в молекулах АТФ. На этих этапах фосфатная группа переносится прямо на АДФ. Такой процесс называется субстратным фосфорилированием.

Однако, на многих этапах молекулы АТФ синтезируются не напрямую. На таких этапах электроны с глюкозы переносятся на небольшие молекулы, которые называются «переносчиками электронов». Переносчики электронов транспортируют электроны к группе белков на внутренней мембране митохондрии под названием «электрон-транспортная цепь». Электроны, проходя через электрон-транспортную цепь, переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий, и, в конце концов, передаются на кислород с образованием воды.

По мере прохода электрона через электрон-транспортную цепь, высвободившаяся энергия используется для переноса протонов (H⁺) из матрикса митохондрии, образуя электрохимический градиент. Протоны под действием энергии градиента проходят свозь фермент под названием АТФ-синтаза, способствуя синтезу АТФ. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. На схеме ниже показаны примеры окислительного и субстратного фосфорилирования.