Стандартные потенциалы некоторых окислительно- восстановительных систем

Система	Е0,вольт
Сукцинат / 2-оксоглутарат	- 0,67
Н^+/Н2	- 0,42
НАД^+/ НАДН	- 0,32
Липоат окисленный / липоат восстановленный	- 0,29
Ацетоацетат / β-гидроксибутират	- 0,27
Пируват / лактат	- 0,19
Оксалоацетат / малат	- 0,17
Флавопротеин окисленный / флавопротеин восстановленный	- 0,12
Фумарат/ сукцинат	+ 0,03
Цитохром b-Fe^3+/ цитохромb-Fe^2+	+ 0,08
Убихинон окисленный / убихинон восстановленный	+ 0,10
Цитохром c-Fe^3+/ цитохромc-Fe^2+ *	+ 0,22
Цитохром a-Fe^3+ / цитохром a-Fe^2+	+ 0,29
Кислород / вода	+ 0,82

1.2. Биологическое окисление

Наиболее полное высвобождение энергии происходит при распаде органических соединений до Н₂О и СО₂. Причем установлено, что атомы кислорода в углекислом газе берутся из органических веществ, а весь потребляемый организмом кислород включается в молекулы Н₂О. Реакция взаимодействия водорода с кислородом относится к экзэргоническим и протекает с одномоментным выделением большого количества энергии. Следовательно, чтобы живые клетки могли использовать эту возможность, не опасаясь за последствия, они должны растянуть во времени этот процесс.

Биологическое окисление - транспорт протонов и электронов от окисляемого субстрата через ряд промежуточных переносчиков на кислород с последующим образованием воды и высвобождением энергии.

1.2.1. Характеристика биологического окисления

Этот процесс осуществляется сложным полиферментным ансамблем, локализованным во внутренней мембране митохондрий и включающим пять комплексов: НАДН-убихинон-редуктазу (Комплекс I), сукцинат-убихинон-редуктазу (Комплекс II), убихинон-цитохром-с-редуктазу (Комплекс Ш), цитохром с-оксидазу (Комплекс IV) и F₀-F₁ АТФ-синтазу (Комплекс V) (рис. 5).

Рис. 3. Схема дыхательной цепи митохондрий (КоQ – убихинон,

цит с – цитохром с)

Окислительно-восстановительные реакции, катализируемые Комплексами I, II, сопряжены с трансмембранным переносом протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Разность электрохимического потенциала ∆μ_Н⁺ возникает вследствие накопления протонов в межмембранном пространстве, а в матриксе митохондрий – электронов.

Комплекс I: НАДН-убихинон-редуктаза – сложный флавопротеиновый комплекс, в состав которого входят более 25 полипептидных цепей. НАДН-связывающий центр этого комплекса ориентирован в матрикс, что позволяет ему взаимодействовать с восстановленными дегидрогеназами цикла трикарбоновых кислот и ряда других процессов.

Таблица 4

Строение комплексов полиферментного ансамбля дыхательной цепи митохондрий

Название	Локализация, состав, функции	Редокс–центры
Комплекс I (НАДН – убихинон-редуктаза)	Трансмембранный комплекс из 25 субъединиц. Предназначен для окисления молекул НАДН, продуцируемых растворимыми матриксными дегидрогеназами.	1 ФМН 4 FeS-белка
Комплекс II (сукцинат-убихинон–редуктаза)	Состоит из серии субъединиц, внедренных во внутреннюю мембрану со стороны матрикса; переносит 2ē и 2Н^+от сукцината на мобильный убихинон липидного бислоя.	1 ФАД 3 FeS-белка 1 гем b
Комплекс III (цитохром bc1; убихинон–цитохром–с–редуктаза)	Трансмембранный белок из 11 субъединиц, включает цитохромы b, c1 и FeS-белок. Они образуют цепочку поочередного транспорта каждого электрона от КоQ·Н2 на цитохром с, примыкающего к мембране.	3 гем b 1 FeS-белок
Комплекс IV (цитохромоксидаза)	Ансамбль из 6 субъединиц. Из них каталитическая содержит не только два гема, но и ионы меди (Сu^2+В, Сu^2+А), она обеспечивает поток электронов от цитохрома c снаружи мембраны на молекулу кислорода в матриксе.	1 гем а 1 гем а3 1 Сu^2+А 1 Сu^2+В
F0-F1-АТФ-синтаза	Сложная молекулярная машина включает два субкомплекса: факторы F0 и F1 (протонтранспортирующая двухсекторная АТФ–аза).

Структура НАД⁺, установленная Г. Эйлер-Хельпиным с соавторами, представляет динуклеотид, в котором мономеры объединены друг с другом ангидридной связью. Одним мононуклеотидом является АМФ, в другом в качестве азотистого основания выступает амид никотиновой кислоты (рис. 6).

Рис. 6. Строение никотинамидадениндинуклетида (НАД⁺)

Окисленная форма НАД⁺ включает в себя катион пиридиния (=N⁺=), в котором смещается π-электронная плотность сопряженной ароматической системы, делая С₄ сильным электрофилом, благодаря этому гидрид ион (Н^‾ ) отрывается от субстрата и присоединяется к С₄, происходит восстановление. В результате нарушается ароматичность пиридиниевого ядра, следствием чего и является повышение энергии восстановленной формы (НАДН) по сравнению с его окисленной.. Субстрат, лишившись гидрид иона, теряет устойчивость; для стабилизации от него отщепляется протон (рис. 7).

Рис. 7. Схема действия кофермента НАД⁺

Комплекс I катализирует суммарную реакцию восстановления убихинона (КоQ), сопряженную с трансмембранным переносом протонов (nН⁺) из матрикса митохондрий в межмембранное пространство:

НАДН + Н⁺ + КоQ + nН⁺_матр. НАД⁺ + КоQH₂ + nН⁺_{межмемб.}

Р

ФМН (флавинмононуклеотид) представляет собой фосфорилированный витамин В₂ (рибофлавин) (рис. 8), прочно связанный с апоферментом во внутренней мембране митохондрий. Его активным компонентом служит сопряженная циклическая структура изоаллоксазина. Механизм его восстановления сложен (рис. 9).

еакция восстановления убихинона протекает в несколько стадий, включающих перенос восстановительных эквивалентов от НАДН на ФМН.

Далее электроны и протоны переходят к железосерным центрам Fe-S комплекса I, которые в конечном итоге и передают электроны на убихинон.

Если величина редокс–потенциала окисляемого субстрата выше – 0,32 вольт, тогда роль первичного акцептора выполняет комплекс II: сукцинат-убихинон-редуктаза, содержащая в качестве кофермента ФАД (флавинадениндинуклеотид), который синтезируется в клетке из ФМН путем переноса АМФ от молекулы АТФ. К таким энзимам принадлежат сукцинатдегидрогеназа (окисление янтарной кислоты в цикле Кребса), ацил-КоА-дегидрогеназа (подобное преобразование жирной кислоты в β-окислении), глицерол-1-фосфатдегидрогеназа (распад глицерина), в результате действия которых водород окисляемого субстрата, минуя НАД⁺, восстанавливает ФАД.

Р

_Н

ис. 9. Схема действия ФМН (ФАД)

Второй комплекс осуществляет перенос восстановительных эквивалентов от ФАДН₂ (кофермент сукцинатдегидрогеназы) через Fe-S центры на убихинон, локализованный в липидном слое внутренней мембраны митохондрий (рис. 10).

Рис. 10. Схема превращения убихинона

Комплекс Ш: убихинон-цитохром–с-редуктаза, называемый также комплексом цитохромов bс₁, осуществляет перенос электронов от восстановленного убихинона (КоQH₂) на цитохром с. Это сопровождается трансмембранным – переносом протонов из митохондриального матрикса в межмембранное пространство.

Процесс передачи электронов от двухэлектронного переносчика убихинона к одноэлектронным – цитохромомам осуществляется в сложной цепи реакций, названных Q–циклом. В сильно упрощенном виде Q-цикл можно представить следующим образом (рис. 11).

Рис. 10. Схема Q–цикла

Восстановленный в результате работы Комплексов I и II убихинон (КоQH₂) диффундирует к наружной стороне внутренней мембраны, отдавая один электрон (через цитохром с₁) на восстановление цитохрома с и освобождая в межмембранное пространство два протона. Образующееся при этом промежуточное соединение семихинон-радикал (КоQH^•) передает второй электрон цитохрому b, который затем используется на восстановление других молекул КоQ (рис.11).

Несмотря на сложный путь движения электронов в комплексе III, окончательный результат прост: КоQH₂ окисляется, а цитохром с - восстанавливается. При этом перенос одного электрона от КоQH₂ к данному гемопротеину сопровождается выделением двух протонов (Н⁺) в пространство между мембранами, поэтому принято считать, что полное окисление одной молекулы КоQH₂ протекает с восстановлением двух молекул цитохрома с и переносом четырех протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство:

КоQH₂+2цит с (Fе³⁺) + 4Н⁺_матр КоQ + 2цит с (Fe²⁺) + 4Н⁺_{межмемб}.

Комплекс IV: цитохромоксидаза катализирует реакцию окисления восстановленного цитохрома с молекулярным кислородом, сопряженную с трансмембранным переносом протонов. Этот сложный олигомерный белок имеет в своем составе два гема (а и а₃) и два иона Сu²⁺, обозначаемые как Сu²⁺_А и Сu²⁺_В. Электрон, полученный от цитохрома с, переносится на Сu²⁺_А. Двигаясь в направлении от цитоплазматической поверхности вглубь мембраны, электрон перемещается от Сu²⁺_А к гему а и далее к гему а₃ и Сu²⁺_B – последнему компоненту дыхательной цепи, восстанавливающему О₂:

Таким образом, транспорт восстановительных эквивалентов от НАДН к кислороду сопровождается переносом катионов водорода из матрикса в межмембранное пространство (рис. 3), где создается трансмембранный градиент их концентрации: снаружи их в 10 раз больше, чем в матриксе. Возникающий градиент электрохимического потенциала ∆μН⁺ является движущей силой, стремящейся вернуть протоны обратно, чтобы устранить резкий перепад их величин. Однако возвратное движение ионов Н⁺ возможно только через специальные трансмембранные каналы (протонтранспортирующая двухсекторная АТФаза – F₀-F₁-АТФ-синтаза).