Перенос электронов и протонов играет ключевую роль как в клеточном дыхании, так и в фотосинтезе, обеспечивая механизм преобразования энергии и синтеза АТФ (аденозинтрифосфата), который является основным энергетическим носителем в клетках.

Клеточное дыхание включает несколько этапов, включая гликолиз, цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) и окислительное фосфорилирование. В цифровом формате роль переноса электронов и протонов в клеточном дыхании можно описать так:

Гликолиз: В ходе гликолиза, глюкоза расщепляется на две молекулы пирувата. Этот процесс приводит к образованию NADH, который является переносчиком электронов.

Цикл Кребса: Пируват дополнительно окисляется в цикле Кребса. Здесь также образуются NADH и FADH2 — другие переносчики электронов. Эти молекулы переносят электроны на дыхательную цепь.

Окислительное фосфорилирование: Переданные электроны проходят через цепь переносчиков (комплексы I-IV), создавая протонный градиент через мембрану митохондрий. Этот градиент используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Протоны возвращаются в матрикс митохондрий через АТФ-синтазу, что приводит к образованию энергии.

Фотосинтез происходит в хлоропластах и включает два основных этапа: световые реакции и реакции темновой фазы (цикл Кальвина).

Световые реакции: При поглощении света хлорофиллом в фотосистемах происходит перенос электронов по цепи переноса электронов. В результате электроны, извлеченные из воды (где вода разлагается на кислород, протоны и электроны), передаются на переносчики, такие как пластохинон и цитохром b6f. Это создает протонный градиент через мембрану тилакоидов.

Синтез АТФ и NADPH: Протонный градиент используется для синтеза АТФ через АТФ-синтазу. Кроме того, электроны в конечном итоге передаются на NADP+, образуя NADPH, который служит ключевым редокс-агентом в реакциях темновой фазы.

Цикл Кальвина: NADPH и АТФ, произведенные на световых реакциях, используются для фиксации углерода и синтеза глюкозы из углекислого газа.

С химической точки зрения перенос электронов и протонов является основой для передачи энергии и создания необходимых для жизни молекул (таких как АТФ и глюкоза). Эти процессы обеспечивают клеточно-метаболическими механизмами, которые помогают живым организмам получать и хранить энергию.