2.10. Электрон-транспортные цепи. Направление переноса электронов в этц определяется редокс -потенциалом переносчиков.

Создание ⁺ сопряжено с электронным транспортом в тилакоидной и митохондриальной мембранах. Давайте теперь рассмотрим, что же представляет собой ЭТЦ и какие события в ней происходят. Прежде всего, нужно сказать, что электронный транспорт связан с происходящими в мембране окислительно-восстановительными реакциями.

В широком смысле слова окислением называется процесс, связанный с отдачей электронов (e‾), а восстановлением - процесс, связанный с их присоединением. Соединение, которое присоединяет электроны, является акцептором, а соединение, отдающее электроны, - донором электронов. Окисленная и восстановленная форма соединения, способного отдавать и принимать e‾, называется окислительно-восстановительной, или редокс парой: донор электронов↔ акцептор электронов + n e‾.

Способность данной редокс- пары быть донором или акцептором e‾ определяется на основе окислительно-восстановительного, или редокс потенциала ^/, выраженного в вольтах:

Е^/= Е_о^/ +RT ln ([акцептор e‾ ] /nF[ донор e‾ ]) (В)

R - газовая постоянная (8,314 Дж моль^-1 К^-1);

Т – абсолютная температура, К⁰

n - число переносимых электронов;

F - число Фарадея (96,4 ДжВ^-1 моль^-1)

[акцептор e‾ ], [ донор e‾] - концентрации окисленной и восстановленной формы редокс пары;

Е_о^/ – стандартный редокс-потенциал;

Стандартный потенциал Е_о^/ определяется экспериментально. Помещая электрод в раствор, содержащий данную редокс –пару, можно измерить э.д.с. цепи, составленную из данного электрода и электрода сравнения. В качестве стандарта используется водородный электрод (потенциал реакции Н₂ =2 e‾ +2Н⁺ при давлении газообразного Н₂ 1 атм, концентрации ионов водорода 1М (рН=0) и 25⁰С условно принят за нуль). В биохимии электродные потенциалы Е^/ определяются при рН=7,0. В этих условиях потенциал водородного электрода равен –0,42 В.

По определению Ео ( или потенциал средней точки, E_m7) равен э.д.с., возникающей в полуэлементе, содержащем донор и акцептор e‾ в равной концентрации (при 25⁰С и рН=7,0), и находящимся в равновесии с электродом, способным обратимо принимать электроны. Значение Е_о^/ характеризует способность данной редокс-пары быть донором или акцептором электронов и позволяет предсказать направление переноса e‾ от одной редокс-пары к другой при стандартных условиях. Система с более положительным Е_о^/ может быть окислителем по отношению к системе с более отрицательным Е_о^/. Например, редокс- пара НАДН\НАД⁺ имеет потенциал – 0,32В, что указывает на сильную выраженную способность НАДН к отдаче электронов. Наоборот, Е_о^/ пары Н₂О/1\2 О₂ составляет +0,82В, что отражает слабую тенденцию воды к отдаче e‾ и сильно выраженную способность кислорода к их присоединению. Следует отметить, что в этом интервале находятся редокс-потенциалы многих соединений, принимающих участие в процессах фотосинтеза и дыхания.

В мембране тилакоидов и внутренней мембране митохондрий локализованы и определенным образом ориентированы соединения, которые являются переносчиками электронов и имеют разные редокс-потенциалы. Эти соединения, реагируя друг с другом, способны обратимо окисляться и восстанавливаться, поочередно выступая в роли доноров и акцепторов электронов. В результате последовательных окислительно-восстановительных реакций происходит перенос e‾ по цепочке от одного переносчика к другому в соответствии со значениями их редокс-потенциалов. Процесс этот называется электронным транспортом, а переносчики электрона формируют электрон-транспортную цепь. Важно знать, что переносчики электрона имеют разную природу, и реакции с их участием могут быть связаны с транспортом непосредственно электрона (e‾), атома водорода (Н^) или гидрид-иона (Н:^- = 2e‾ +Н⁺) от донора к акцептору.

С термодинамической точки перенос e‾ в ходе редокс-реакций в ЭТЦ сопровождается изменением свободной энергии, которое для стандартных условий может быть рассчитано по уравнению:

G₀= nF E₀ ( Дж ·моль^1-)

G_{0 -} стандартное изменение свободной энергии;

n - число переносимых электронов;

E₀ - разность стандартных потенциалов конечного акцептора и исходного донора e‾ в реагирующей системе;

Редокс- потенциалы определены практически для всех участников ЭТЦ дыхания и фотосинтеза. В дыхательной цепи митохондрий электронный транспорт от НАДН на О₂ идет по градиенту редокс- потенциала. В процессе фотосинтеза энергии света используется для инициации электронного транспорта от воды к НАДФ⁺ против градиента редокс-потенциала.