Στο σώμα, η ενέργεια από την οξείδωση καυσίμου διατηρείται με τη μεταφορά ηλεκτρονίων με υδρογόνο από το καύσιμο σε συνένζυμα αποδέκτες ηλεκτρονίων, αρχικώς με ΝΑD+ και FAD. Το καύσιμο κερδίζει οξυγόνο σε σχέση με τα υδρογόνα που περιέχει, αλλά το οξυγόνο προστίθεται από το H2O. To τελικό προϊόν της οξείδωσης του καυσίμου, το CO2, σχηματίζεται αρχικώς από την οξείδωση της δακετυλομάδας του ακετυλο-CoA στον κύκλο του ΤΚΑ.

Τα συνένζυμα-αποδέκτες των ηλεκτρονίων δωρίζουν τα ηλεκτρόνια που προήλθαν από την οξείδωση του καυσίμου του Ο2, μέσω της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, μίας σειράς πρωτεϊνών στην εσωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη. Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων μετασχηματίζει την ενέργεια που πάρθηκε από τη μεταφορά ηλεκτρονίων από τα αναχθέντα NAD+ και FAD στο οξυγόνο σε μία ηλεκτροχημική διαμεμβρανιακή πρωτονιακή βαθμίδωση κατά μήκος της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης Δp. Η ηλεκτροχημική βαθμίδωση χρησιμοποιείται κατόπιν για τη σύνθεση των υψηλής ενέργειας φωσφορικών δεσμών του ATP με μία διεργασία γνωστή σαν οξειδωτική φωσφορυλίωση. Αυτές οι αντιδράσεις συμβαίνουν πρωταρχικώς στα μιτοχόνδρια, τα οποία είναι οι μηχανές του κυττάρου.

Ενέργεια οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων

ΣΥΝΕΝΖΥΜΑ ΑΠΟΔΕΚΤΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ

Το NAD+ και FAD αποδέχονται ηλεκτρόνια σαν άτομα υδρογόνου (FAD) ή σαν ιόν υδριδίου (NAD+) και ανάγονται στην αντίδραση. Η ενέργεια από τους χημικούς δεσμούς του καυσίμου είναι παρούσα στην αναχθείσα μορφή των μεταφορέων ηλεκτρονίων. Καθώς τα αναχθέντα συνένζυμα δωρίζουν αυτά τα ηλεκτρόνια στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, επανοξειδώνονται. Το ποιο συνένζυμο χρησιμοποιείται εξαρτάται αρχικώς από τις ιδιότητες των λειτουργικών ομάδων που δωρίζουν ηλεκτρόνια και, βεβαίως, από το ένζυμο που καταλύει την αντίδραση.

Το NADP+ το οποίο είναι NAD+ με μία προσθήκη επιπλέον φωσφορικού στη ριβόζη της αδενοσίνης μπορεί επίσης να αποδέχεται ηλεκτρόνια σε αντιδράσεις οξείδωσης-αναγωγής. Το NADPH δεν δωρίζει, όμως, αυτά τα ηλεκτρόνια άμεσα στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Αντιθέτως, τα ηλεκτρόνια αυτά συνήθως δωρίζονται σε μία βιοσυνθετική ή αποτοξινωτική οδό στο κύτταρο.

ΑΝΑΓΩΓΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ

Η ενέργεια που είναι διαθέσιμη για τη σύνθεση ATP από οξειοδοαναγωγικές αντιδράσεις συχνά εκφράζεται σαν ΔΕο’ (η διαφορά στα αναγωγικά δυναμικά του οξειδοαναγωγικού ζεύγους) μάλλον παρά σαν ΔG0 . Το αναγωγικό δυναμικό, Εο’ μιας ενώσεως είναι μία μέτρηση σε volts της ενέργειας που απελευθερώνονται όταν η ένωση γίνεται αποδέκτης ηλεκτρονίων. Μπορεί να θεωρηθεί ως μία έκφραση της επιθυμίας της ενώσεως να δεχθεί ηλεκτρόνια.

Στις μεταβολικές οδούς, τα ηλεκτρόνια γενικώς μεταφέρονται από ενώσεις με χαμηλό αναγωγικό δυναμικό σε ενώσεις με υψηλό αναγωγικό δυναμικό. Το οξυγόνο, το οποίο είναι ο καλύτερος αποδέκτης ηλεκτρονίων, έχει το μεγαλύτερο αναγωγικό δυναμικό (π.χ. είναι πολύ πρόθυμο να αποδεχθεί ηλεκτρόνια και να αναχθεί). Όσο πιο αρνητικό αναγωγικό δυναμικό έχει μια ένωση, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαθέσιμη ενέργεια όταν αυτή η ένωση περνά τα ηλεκτρόνιά του στο οξυγόνο. Παραδείγματος χάριν, το δυναμικό αναγωγής για το NAD+ είναι περισσότερο αρνητικό (-0.320 volt) από αυτό της ριβοφλαβίνης (-0.200 volt) και έτσι η ΔG0 για την οξείδωση του NADH από το O2 είναι συνήθως μεγαλύτερη από την ΔG0 για την οξείδωση των πρωτεϊνών που περιέχουν ριβοφλαβίνη. Αυτή η τιμή για το NADH είναι περίπου -53 kcal και για το FAD(2H) περίπου -41 kcal.

Παραγωγή ATP

ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΗ ΦΩΣΦΟΡΥΛΙΩΣΗ

Οι σπουδαιότερες οδοί για την οξείδωση των καυσίμων είναι η γλυκόλυση, η οξείδωση των λιπαρών οξέων, η οξείδωση κετονικών σωμάτων, ο κύκλος του κιτρικού οξέος (κύκλος ΤΚΟ), η οδός της φωσφορικής πεντόζης και οι επί μέρους οδοί για την οξείδωση εκάστου αμινοξέος. Σε όλες αυτές τις οδούς, η οξείδωση των καυσίμων γίνεται με προσφορά ηλεκτρονίων στο NAD+, NADP+ και FAD. Η σύνθεση του ATP από αυτές τις οδούς εξαρτάται από την ενέργεια που απελευθερώνεται με μεταφορά ηλεκτρονίων από τους αναχθέντες μεταφορείς του O2 και από την οξειδωτική φωσφορυλίωση- αυτές είναι ως εκ τούτου όλες αερόβιες οδοί. Είναι υπεύθυνες σχεδόν για όλο το Ο2 που αναπνέουμε.

ΦΩΣΦΟΡΥΛΙΩΣΗ ΣΕ ΕΠΙΠΕΔΟ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ

Υπάρχει και ένας άλλος τρόπος σχηματισμού του υψηλής ενέργειας φωσφορικού δεσμού του ATP από καύσιμα μεταβολισμού: η φωσφορυλίωση σε επίπεδο υποστρώματος. Φωσφορυλίωση σε επίπεδο υποστρώματος είναι ο σχηματισμός ενός υψηλής ενέργειας φωσφορικού δεσμού που πριν δεν υπήρχε, χωρίς την χρήση μοριακού Ο2. Για παράδειγμα, στη γλυκολυτική οδό μεταξύ γλυκόζης και γαλακτικού, παράγεται ATP από τη μεταφορά υψηλής ενέργειας φωσφορικού από ενδιάμεσα της γλυκολυτικής οδού στο ADP. Ένα από τα ενδιάμεσα της γλυκολυτικής οδού που περιέχει υψηλής ενέργειας φωσφορικό δεσμό, το φωσφοενολοπυροσταφυλικό, έχει ΔG0 για υδρόλυση -14 kcal. Ένα ένζυμο μεταφέρει το φωσφορικό από το φωσφοενολοπυροσταφυλικό στο ADP για παραγωγή ενός ATP σε μία εξωθερμική αντίδραση. Η μετατροπή της γλυκόζης σε γαλακτικό δεν εμπλέκει καθαρή μεταφορά ηλεκτρονίων στο NAD+ και FAD και κατά συνέπεια χρησιμοποίηση Ο2 σαν αποδέκτη ηλεκτρονίου. Ως εκ τούτου ονομάζεται αναερόβιος γλυκόλυση. Η αναερόβιος γλυκόλυση είναι η μόνη διαθέσιμη οδός για μετατροπή ενέργειας καυσίμου σε ΑΤΡ στους ιστούς που στερούνται μιτοχόνδρια, όπως τα ερυθρά αιμοσφαίρια.

ΑΛΛΟΙ ΥΨΗΛΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΦΩΣΦΟΡΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΙ

Ενέργεια που μεταφέρεται από τον υψηλής ενέργειας φωσφορικό δεσμό του ΑΤΡ σε άλλους χημικούς δεσμούς συμμετέχει επίσης στη χρησιμοποίηση της ενέργειας για έργο. Ένα παράδειγμα είναι η χρησιμοποίηση του υψηλής ενέργειας φωσφορικού δεσμού του UTP για σύνθεση γλυκογόνου. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η μεταφορά του υψηλής ενέργειας φωσφορικού της φωσφορικής κρεατίνης στο ADP για γρήγορο σχηματισμό του ΑΤΡ στη θέση χρησιμοποίησης του ΑΤΡ στο μυ και εγκέφαλο.

ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΟΥ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΥ ΤΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ

Όλες αυτές οι οδοί της οξείδωσης του καυσίμου ρυθμίζονται ανάστροφα από τα επίπεδα του ΑΤΡ ή από ενώσεις σχετικές με τη συγκέντρωση του ΑΤΡ. Γενικώς, όσο πιο λίγο ΑΤΡ χρησιμοποιείται, τόσο λιγότερο καύσιμο θα οξειδώνεται για να παράγει ΑΤΡ. Έτσι, πρόσληψη θερμίδων σε πολύ μεγαλύτερο ποσό εκείνων που καταναλίσκονται έχει ως αποτέλεσμα αποθήκευση υπερβολικών καυσίμων. Η απλή δήλωση «εάν τρώγεις πάρα πολύ και δεν ασκείσαι, θα παχύνεις» είναι πράγματι μία περίληψη της βιοενεργητικής του κύκλου ΑΤΡ- ADP.