Связи клеточного дыхания с другими путями

Мы много говорили о путях расщепления глюкозы. Садясь перекусить, вы, наверное, съедите бутерброд с колбасой, вегетарианский бургер или салат, но вряд ли вы поставите перед собой тарелку чистой глюкозы. Тогда как же другие составляющие нашей пищи — белки, жиры и углеводы (помимо глюкозы) — расщепляются с образованием АТФ?

Оказывается, пути клеточного дыхания, которые мы уже рассмотрели, лежат в основе добывания энергии из всех этих молекул. Аминокислоты, жиры и другие углеводы могут преобразовываться в различные промежуточные продукты гликолиза и цикла трикарбоновых кислот, благодаря чему они могут включиться в процесс клеточного дыхания с помощью других путей. Как только эти молекулы поступают в работу их происхождение не имеет никакого значения,: они просто так же проходят оставшиеся этапы, приводя к образованию НАДH, ФАДH${}_2$‍ и АТФ.

Кроме того, не каждая молекула, которая поступает в процесс клеточного дыхания, дойдёт до конца пути. Различные виды молекул могут включаться в процесс на промежуточных этапах, точно так же промежуточные продукты гликолиза и цикла трикарбоновых кислот могут покидать его для участия в синтезе других молекул. Например, многие промежуточные продукты гликолиза и цикла трикарбоновых кислот используются для синтеза аминокислот${}^1$‍.

В следующем разделе мы рассмотрим несколько примеров того, как различные молекулы, помимо глюкозы, могут участвовать в клеточном дыхании.

Большинство углеводов включаются в процесс клеточного дыхания во время гликолиза. В некоторых случаях достаточно расщепить полимер глюкозы на отдельные молекулы. Например, полимер глюкозы гликоген синтезируется и запасается в нашем организме в печени и в клетках мышц. Если уровень сахара в крови упадет, гликоген распадется на фосфатсодержащие молекулы глюкозы, которые могут легко включиться в гликолиз.

Моносахариды, отличные от глюкозы, могут также участвовать в гликолизе. Например, сахароза (столовый сахар) состоит из глюкозы и фруктозы. Фруктоза после расщепления сахара может без проблем включиться в гликолиз присоединение фосфатной группы превращает её во фруктозо-6-фосфат, продукт третьей стадии гликолиза${}^2$‍. Поскольку фруктоза включается в гликолиз практически в самом начале, при ее распаде в процессе клеточного дыхания образуется столько же молекул АТФ, сколько из самой глюкозы.

Когда вы потребляете белки с пищей, ваш организм должен расщепить их до аминокислот, прежде, чем начать использовать их в клеточных процессах. Основная часть аминокислот не окисляется для получения энергии, а используется повторно для синтеза новых белков.

Однако, если в организме аминокислот больше, чем требуется, или клетки испытывают недостаток энергии, некоторые аминокислоты расщепляются в процессе клеточного дыхания для получения энергии. Чтобы включиться в клеточное дыхание аминокислоты должны избавиться от аминогруппы. Побочным продуктом этой реакции является аммиак $({\text{NH}}_3)$‍, который в организме человека и других млекопитающих преобразуется в мочевину и выводится с мочой.

Избавившись от аминогруппы, различные аминокислоты попадают в пути клеточного дыхания на различных стадиях. Химические свойства каждой аминокислоты определяют, в какое промежуточное соединение ей легче всего превратиться.

Например, глутамин, у которого есть карбоксильная группа, преобразуется в α-кетоглутарат — промежуточный продукт цикла трикарбоновых кислот. Это логично, поскольку у обеих молекул схожая структура, включающая две карбоксильные группы, как показано ниже${}^3$‍.

Жиры известные как триглицериды могут расщепляться на два компонента, которые способны войти в процесс клеточного дыхания на разных этапах. Триглицериды состоят из 3-углеродной молекулы глицерола, к которой присоединены три остатка жирных кислот. Глицерол может быть преобразован в глицеральдегид-3-фосфат, промежуточный продукт гликолиза, а затем включиться в оставшиеся реакции клеточного дыхания.

Жирные кислоты, в свою очередь, могут расщепляться в процессе бета-окисления, который протекает в матриксе митохондрии. При бета-окислении остатки жирных кислот распадаются на 2-углеродные молекулы, которые соединяются с коферментом А с образованием ацетил-КоА. Затем ацетил-КоА без проблем попадает в цикл трикарбоновых кислот.

Мы много говорили о том, как молекулы могут включиться в процесс клеточного дыхания, но также важно понимать, как они из него могут выйти. В процессе клеточного дыхания молекулы могут быть извлечены из работы на различных стадиях и использованы для создания других молекул, включая аминокислоты, нуклеотиды, липиды и углеводы.

Например, упомянутый выше ацетил-КоА, синтезирующийся в процессе клеточного дыхания, может быть исключён из цикла трикарбоновых кислот и использован для синтеза холестерина. Холестерин в нашем организме образует основу стероидных гормонов, таких как тестостерон и эстроген.

В зависимости от потребностей клетки, молекулы используются либо для «сжигания» ради получения энергии, либо для образования других молекул (во втором случае клетка также «решает», какие именно новые молекулы ей нужно синтезировать).