3.8. Окисление, фосфорилирование и перенос энергии

 

Перед тем как продолжить рассмотрение биохимических путей энергетического метаболизма в клетке, рассмотрим, каким образом химическая энергия, высвобождаемая в процессе метаболизма, сохраняется и передается высокоэнергетическим промежуточным веществам. Вспомним, что при расщеплении сложных органических молекул свободная энергия системы уменьшается, а энтропия (степень неупорядоченности) увеличивается. Подобная ситуация имеет место при окислении глюкозы до двуокиси углерода и воды в процессе сгорания согласно суммарной реакции

 

C₆H₁₂O₆ + 6О₂  6СО₂ + 6Н₂О,

ΔG° = — 686 ккал/моль.

 

Эти 686 000 кал, которые выделяются при окислении 1 моля глюкозы, представляют собой разность между химической энергией, запасенной в структуре молекулы глюкозы в процессе фотосинтеза, и суммарной химической энергией, содержащейся в образовавшихся молекулах СО₂ и Н₂О. Если 1 моль глюкозы окисляется до двуокиси углерода и воды в процессе одномоментного сгорания (т. е. просто при ее сжигании), то свободная энергия целиком переходит в тепловую. В процессе клеточного дыхания, однако, какая–то часть этой энергии не переходит в тепло, а сохраняется в виде полезной химической энергии и передается АТР через реакцию фосфорилирования ADP. Суммарную реакцию метаболического окисления глюкозы в клетке можно записать в виде

 

C₆H₁₂О₆ + 38Р_i + 38ADP + 6О₂  6СО₂ + 6Н₂О + 38АТР.

ΔG° = — 420 ккал (в виде тепла).

 

Следовательно, 266 ккал (686–420) будет аккумулировано в 38 молях АТР (7 ккал/моль АТР).

Каким образом химическая энергия, содержащаяся в молекуле глюкозы, передается молекулам АТР? Чтобы понять это, мы должны сначала вспомнить, что окисление в самом широком смысле – это перенос электронов с одной молекулы на другую. В окислительно–восстановительной реакции восстановитель (донор электронов) окисляется окислителем (акцептором электронов). Вместе они образуют окислительно–восстановительную пару (редокс–пару):

 

Донор электронов   ne¯ + Акцептор электронов

или

 

Восстановитель  nе¯   +  Окислитель,

 

где n – число перенесенных электронов. При переносе электронов с восстановителя на окислитель всегда происходит высвобождение энергии, так как электроны движутся в направлении более стабильной (с большей энтропией) ситуации при переходе на окислитель. Это напоминает водопад, где вода падает с одного уровня на другой, расположенный ниже. Именно разность двух уровней определяет количество высвобождаемой энергии.

Таким образом, химическая энергия высвобождается в том случае, когда электроны переходят от соединения с данным уровнем электронного давления (тенденцией отдавать электроны) к соединению с более низким электронным давлением. Если какая–то молекула имеет более высокий уровень электронного давления по сравнению со своим партнером по окислительно–восстановительной реакции, то говорят, что ее окислительно–восстановительный потенциал ниже (более отрицательный); такая молекула будет выступать в качестве восстанавливающего агента. Если же у нее уровень электронного давления ниже, чем у партнера, то она будет окислителем. Изменение свободной энергии в каждой подобной реакции прямо пропорционально разности электронных давлений в молекулах соответствующей окислительно–восстановительной пары (редокс–пары).

При аэробном клеточном метаболизме электроны переходят на все более низкие энергетические уровни от соединений с высоким электронным давлением к соединениям с более низким электронным давлением. Конечным акцептором электронов при аэробном метаболизме служит молекулярный кислород. По–видимому, последний стал универсальным конечным окислителем именно потому, что имеет очень низкий уровень электронного давления (свойство сильного окислителя), а также благодаря своей распространенности на поверхности Земли вследствие фотосинтеза. Поскольку роль кислорода сводится просто к тому, что он акцептирует электроны, то теоретически аэробный метаболизм может протекать и в отсутствие О₂ при условии, что найдется подходящий акцептор электронов вместо кислорода.

При переносе электронов с глюкозы на кислород происходит огромный скачок как окислительно–восстановительного потенциала (положительный), так и свободной энергии (отрицательный), участвующих в переносе молекул. Одна из функций клеточного метаболизма как раз в том и состоит, чтобы перенос электронов с глюкозы на кислород совершался постепенно, через серию относительно небольших изменений свободной энергии, а не одним большим скачком. Такой перенос осуществляется при помощи двух механизмов, обнаруженных во всех клетках. Во–первых, как мы уже отмечали, расщепление молекул питательных веществ типа глюкозы до полностью окисленных конечных продуктов (например, до СО₂ и Н₂О) совершается по длинной цепочке промежуточных этапов молекулярных превращений и окислений, каждый из которых сопровождается относительно небольшим изменением свободной энергии. Во–вторых, электроны, отнятые у молекул субстрата, переносятся на кислород по цепочке акцепторов и доноров электронов с неуклонно убывающим электронным давлением. Как мы увидим вскоре, эти механизмы позволяют «поставлять» энергию на синтез АТР определенными порциями.