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

Создание Δ сопряжено с электронным транспортом в тилакоидной и митохондриальной мембранах. Рассмотрим, что 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 (е ), а восстановлением — процесс, связанный с их присо­единением. Соединение, присоединяющее электроны, является акцептором, а отдающее электроны — донором электронов. Окисленная и восстановленная формы соединения, способного отдавать и принимать е , называется окисли­тельно-восстановительной, или редокс-парой: донор электронов ↔ акцеп­тор электронов + п е .

Способность данной редокс-пары быть донором или акцептором е опреде­ляется на основе окислительно-восстановительного, или редокс-потенциала, Е', выраженного в вольтах:

где R — газовая постоянная (8,314 Дж ∙ моль ∙ К ); Т — абсолютная температу­ра, К; п — число переносимых электронов; F— число Фарадея (96,4 кДж ∙ В^-1 ∙ моль ); [акцептор е ], [донор е ] — концентрации в молях окисленной и восстановленной форм редокс-пары; Е°' — стандартный редокс-потенциал.

Стандартный потенциал Е°' определяется экспериментально. Помещая элек­трод в раствор, содержащий данную редокс-пару, можно измерить э.д.с. цепи, составленной из данного электрода и электрода сравнения. В качестве стандар­та используется водородный электрод (потенциал реакции Н₂ = 2 е + 2Н⁺ при давлении газообразного Н₂ 1 атм, концентрации ионов водорода 1М (рН 0) и 25 °С условно принят за нуль). В биохимии электродные потенциалы Е°' опре­деляются при рН 7,0. Потенциал водородного электрода равен -0,42 В.

По определению, Е°' (или потенциал средней точки Е_т7) равен ЭДС, воз­никающей в полуэлементе, содержащем донор и акцептор е в равной концен­трации (при 25 °С и рН 7,0) и находящемся в равновесии с электродом, спо­собным обратимо принимать электроны. Значение Е°' характеризует способность данной редокс-пары быть донором или акцептором электронов и позво­ляет предсказать направление переноса е от одной редокс-пары к другой при стандартных условиях. Система с более положительным Е°' может быть окисли­телем по отношению к системе с более отрицательным Е°'. Например, редокс-пара НАДН/НАД⁺ имеет потенциал -0,32 В, что указывает на сильно выра­женную способность НАДН к отдаче электронов. Наоборот, Е°' пары Н₂О/ О₂ составляет +0,82 В, что отражает слабую тенденцию воды к отдаче е 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 е 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 (е ), атома водорода (Н ) или гидрид-иона ( = 2 е +Н⁺) от донора к акцептору.

Согласно законам термодинамики, перенос е в ходе редокс-реакций в ЭТЦ сопровождается изменением свободной энергии G, которое для стандартных условий может быть рассчитано по уравнению

∆G°' = -nF-∆E°' [Дж ∙ моль^-1],

где ∆G°' — стандартное изменение свободной энергии; п — число переноси­мых электронов; ∆Е°' — разность стандартных потенциалов конечного акцеп­тора и исходного донора е 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 энергия света используется для инициации электронного транспорта от воды к НАДФ⁺ против градиента редокс-потенциала.