Электронотранспортные цепи

В живых системах перенос электронов от сильного восстанови­теля к сильному окислителю всегда происходит ступенчато, для чего используется электронотранспортная цепь (ЭТЦ). Электро-иотранспортная цепь - это ансамбль из нескольких оксидоредук­таз, который локализован во внутриклеточных мембранах или на их поверхности. В этом ансамбле оксидоредуктазы со своими ко­факторами и коферментами в их окисленных и восстановленных формах располагаются строго последовательно друг за другом по мере возрастания их восстановительного потенциала (табл. 9.2) и уменьшения энергии Гиббса G, как показано на рис. 9.1. Други­ми словами, ЭТЦ начинается с оксидоредуктазы, у которой вос­становительные свойства преобладают над окислительными (ф < < 0). Однако ее окислительная активность достаточна, чтобы окис­ление субстрата-восстановителя произошло самопроизвольно. По мере продвижения по цепи у каждой последующей оксидоредук­тазы окислительная способность увеличивается, а восстанови­тельная - уменьшается. Заканчивается ЭТЦ оксидоредуктазой, у которой окислительные свойства преобладают над восстанови­тельными (ф > 0). Однако ее восстановительная активность доста­точна, чтобы восстановление реагента-окислителя произошло само­произвольно. Таким образом, за счет оксидоредуктаз ЭТЦ проис­ходит постепенное выравнивание восстановительного потенциала между субстратом-восстановителем и реагентом-окислителем. Это еще раз свидетельствует о том, что природа всегда стремится не к резкому, а к постепенному изменению свойств взаимодействую­щих компонентов.

Как видно из приведенной схемы, ЭТЦ осуществляет сопря­жение пространственно разделенных реакций окисления восста­новителя (источник электронов) и восстановления окислителя (потребитель электронов), протекающих на концах этой цепи за счет передачи по ней электронов - общего компонента для всех участников цепи. Перенос электронов вдоль цепи осуществля­ется благодаря самопроизвольному и последовательному протеканию обратимых окислительно-восстановительных превраще­ний компонентов этой цепи. При этих превращениях электроны от восстановленной формы одного компонента (I) передаются к окисленной форме последующего компонента (II), что сопровож­дается превращением восстановленной формы (I) в сопряженную окисленную форму (I).

Процесс передачи электронов по ЭТЦ - экзэргонический (AG < < 0). За счет энергии, освобождающейся при переносе электронов по цепи, одновременно осуществляется перенос протонов сквозь мембрану. Это происходит с помощью ассоциатов из некоторых оксидоредуктаз. Механизм передачи протонов сквозь мембрану еще точно не установлен. В результате переноса протонов по раз­ные стороны мембраны создается градиент концентрации прото­нов, называемый также трансмембранным протонным потенциа­лом Таким образом, в ЭТЦ потоки электронов и протонов хотя и сопряжены между собой, но разобщены, так как электроны движутся вдоль мембраны, а протоны - сквозь нее.

Электронотранспортные цепи могут содержать разное число и разные виды оксидоредуктаз. Обычно это оксидоредуктазы с ко­факторами: различные цитохромы и железосеропротеины, а также оксидоредуктазы с коферментами: НАД⁺, НАДФ⁺, ФМН, ФАД, KoQ. ЭТЦ может быть разветвленной, причем если на одном ее конце идет реакция восстановления окислителя-реагента, то на других концах протекают реакции окисления. В состав ЭТЦ могут входить компоненты, которые способны повысить энергию переда­ваемых электронов, например, за счет энергии поглощаемого све­та. Подробнее работу электронотранспортных цепей рассмотрим на процессах окислительного фосфорилирования (разд. 9.3.6), фотофосфорилирования (разд. 9.3.7) и оксигеназного окисления-восстановления с помощью цитохрома Р-450 (разд. 9.3.8).