Сбор энергии на внутренней мембране митохондрий Клетка генерирует полезную энергию на внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрий. Там ферментные ансамбли пропускают водород по цепочке и высвобождают энергию постепенно. Такая поэтапная конструкция предотвращает взрывное высвобождение и позволяет клетке эффективно улавливать энергию.
Квантованные электроны водорода питают Жизнь Электроны водорода обладают дискретными уровнями энергии, которые зависят от расстояния до их орбиты по отношению к протону. Когда электрон перемещается с более дальней орбиты на более близкую, выделяется определенный квант энергии. Живые системы извлекают эту энергию из водорода и поглощают ее в митохондриальных системах, которые поддерживают жизнь на Земле.
От водородных бомб к поэтапному высвобождению энергии При температуре около 50 миллионов градусов по Цельсию два атома водорода соединяются в гелий и высвобождают колоссальную энергию — принцип действия водородной бомбы. Атомный взрыв сначала повышает температуру, после чего начинается термоядерный синтез. В отличие от этого, биология использует энергию водорода постепенно, при температуре 36-38°C, и если бы человечество научилось извлекать ее поэтапно из водорода, энергетические проблемы исчезли бы. Современные исследования в области физики направлены на то, чтобы ограничить такие экстремальные температуры в ограниченном объеме.
Ансамбли для переноса водорода, созданные для постепенного высвобождения На внутренней поверхности мембраны множество ферментных систем образуют объединенные ансамбли, которые переносят водород по определенному пути. Каждая передача высвобождает часть энергии, которую клетка немедленно использует. Один и тот же фундаментальный принцип лежит в основе как живых, так и неживых систем, различающихся главным образом температурой и управлением.
Тканевое дыхание, а не легочное Эти мембранные процессы известны как тканевое дыхание или биологическое окисление, в отличие от носового или легочного дыхания. Здесь кислород задействован на заключительном этапе, обеспечивая образование энергии, а не газообмен. Основное внимание уделяется тому, как возникает энергия, сколько ее улавливается и в какой форме она накапливается.
Три структуры, подходящие для дегидрирования Полученные из углеводов промежуточные продукты цикла Кребса, содержащие альфа-гидроксильные группы вблизи карбоксильных групп, подготавливаются для удаления водорода. Липидные субстраты - это высшие жирные кислоты с цепями СН2 и определенными альфа- и бета-позициями относительно карбоксильной группы, которые подвергаются бета-окислению для получения водорода. Из белков только глутаминовая кислота служит энергетическим донором, способным передавать водород в цепь.
Окислительно-восстановительные правила и восемь переносчиков С точки зрения биохимии, окисление - это удаление водорода, а восстановление - его добавление, и эти два процесса всегда происходят одновременно. Для каждого окисленного донора требуется восстановленный акцептор, что приводит к выделению энергии в виде связанного окислительно-восстановительного реле. Восемь переносчиков обеспечивают этот перенос, а конечным акцептором, который принимает обесточенный водород, является молекулярный кислород.
NAD-зависимые регуляторы для углеводов и глутамата Первая и третья субстратные структуры передают водород NAD-зависимым дегидрогеназам, кофермент которых основан на витамине РР. NAD, как часть этих ферментов, принимает один водород целиком, а второй - в виде протона, образуя NADH + H+. Типичные реакции включают альфа-замещенные промежуточные продукты Кребса и глутаминовую кислоту, а недостаток витамина РР останавливает этот процесс.
Окисление, зависящее от FAD, и односторонний поток электронов Вторая структура переносит водород к FAD-зависимым дегидрогеназам на основе витамина В2 (рибофлавина). Когда электроны переходят от более отрицательного потенциала к более положительному, цепь необратимо движется в одном направлении. При переходе от простого к сложному высвобождается достаточно энергии, чтобы синтезировать одну молекулу АТФ.
Окислительное фосфорилирование и медиатор АТФ-синтазы Между источником водорода и кислорода находится медиатор, который связывает перенос электронов с образованием АТФ. АТФ-синтаза конденсирует АДФ с неорганическим фосфатом для удержания высвобождающейся энергии в АТФ, этот процесс называется окислительным фосфорилированием. Только АТФ может принимать эту энергию в митохондриях и затем управлять всеми видами работы организма.
Почему жиры дают больше энергии В липидах содержится гораздо больше водорода на единицу массы, чем в белках или углеводах. Следовательно, в одном грамме белка или углевода содержится около 5,5 килокалорий, в то время как в одном грамме липида содержится примерно 9,5 килокалорий. Такое богатство водородом делает запасы липидов гораздо более энергоемкими, чем другие.
Плотная связь: Нет АТФ, нет потока электронов. Транспорт электронов и синтез АТФ тесно связаны: если АТФ не образуется, перенос водорода по цепи прекращается, а если перенос не удается, АТФ не образуется. Дефицит АДФ или неорганического фосфата блокирует фосфорилирование и автоматически останавливает тканевое дыхание. Когда окисление блокируется, метаболизм переключается на синтез и хранение жира, поэтому неиспользованная пища накапливается в виде жировой ткани, особенно с возрастом.
Тироксин регулирует распределение тепла и АТФ Гормоны щитовидной железы, главным образом тироксин и трийодтиронин, регулируют взаимодействие между дыхательной цепью и образованием АТФ. В нормальном состоянии около 40% высвобождаемой энергии переходит в АТФ и около 60% превращается в тепло для поддержания нормальной температуры тела. Избыток тироксина смещает баланс в сторону повышения температуры, вызывая такие симптомы, как тахикардия, тремор и выпученные глаза в лихорадочном состоянии.
Для коэнзима Q и железосернистых мостиков необходимы цистеин и железо Витаминоподобный компонент продолжает цепочку, без него процесс не может продолжаться. Далее идут железосернистые белки, целостность которых зависит от остатков цистеина и железа; недостаток обоих компонентов нарушает цепочку на данном этапе. После операций на желудке нарушение всасывания внутреннего фактора и витамина В12 может препятствовать доставке этих компонентов к клеткам, что еще больше блокирует тканевое дыхание.
Градиент Митчелла, Биологические конденсаторы и градиентные яды На последующих этапах пути протона и электрона разделяются: протоны перемещаются к внешней стороне внутренней мембраны, в то время как электроны движутся вдоль внутренней поверхности, создавая разделение "плюс–минус", как в биологическом конденсаторе. Периодический возврат протонов высвобождает энергетические импульсы, которые улавливаются в виде АТФ, в соответствии с градиентной схемой Митчелла. Иногда движение электронов и протонов сохраняется, но энергия не образуется — свободное дыхание возникает из-за внутренних неисправностей или агентов, которые стирают градиент; некоторые боевые яды, такие как “Новичок”, нейтрализуют разность потенциалов, останавливают синтез АТФ и быстро убивают клетки.