Локализация пунктов сопряжения окисления и фосфорилирования в дыхательной цепи на основании редокс-потенциалов, действия специфических ингибиторов (ротенон, амитал, антимицин а, цианид, со, NaN3)

При переносе водорода на кислород каждая пара электронов, акцептируемых от субстрата, трижды пересекает мембрану и каждый раз выводит пару протонов. Первый переход совершается через восстановленный FMNH₂. Вернувшись на внутреннюю поверхность мембраны с помощью железосерных белков, электроны переходят на 2 молекулы убихинона, каждая из которых при этом захватывает протон из внутренней среды, образуя гидрохинон. С его помощью электроны вновь выходят наружу и возвращаются при участии цитохромов.

На внутренней стороне мембраны электроны восстанавливают еще одну пару молекул убихинона и мигрируют наружу в третий раз. Наконец, они возвращаются во внутреннюю среду через систему цитохромов (с₁, с, а, а₃) и переходят на кислород. На каждом участке дыхательной цепи, где изменение окислительно-восстановительного потенциала оказывается достаточным для образования необходимой протон-движущей силы (эта разность ΔЕ0,25 В), может синтезироваться АТР. В дыхательной цепи имеется 3 пункта сопряжения окисления и фосфорилирования: между NADH и CоQН₂ (ΔЕ′_o0,3 В), между CоQН₂ и цитохромом с₁ (ΔЕ′_o0,21 В) и между цитохромом а и цитохромом а₃ (ΔЕ′_o0,53 В). Общая разница потенциалов между NADH и кислородом составляет около 1,2 В, а суммарный электронный ток на внутриклеточных мембранах у человека в состоянии покоя около 100 А, так что мощность аэробного оттока энергии равна 120 Вт (Рис.26.6).

Ток электронов по дыхательной цепи может подавляться при действии на нее специфических и неспецифических ингибиторов. Действие ингибиторов выражается в препятствовании окислению субстратов, чем сокращается выделение водорода в дыхательную цепь. Тяжелые металлы и мышьяк (III) блокируют SH-группы дегидрогеназ. Ротенон и амитал (ингибиторы комплекса I) блокируют образования протонного потенциала: прерывают поступление водорода от NADH. Антимицин А ‒ типичный ингибитор комплекса bc₁ подавляет циклический перенос электронов. Цианиды, азиды, СО ингибируют цитохромоксидазу, блокируя передачу водорода на кислород. В результате возникает ситуация кислородного голодания, хотя кислород наличествует в избытке. Выключается протонный градиент и связанное с ним фосфорилирование. Наступает энергетический голод и прекращается жизнедеятельность.

Рис.26.6. Пункты действия ингибиторов дыхательной цепи

Полные и редуцированные дыхательные цепи

У бактерий эффективность дыхательной цепи ниже, чем в митохондриях из-за более простого устройства механизма переноса электронов, шунтированием некоторых ΔμН-генераторов дыхательной цепи системами свободного окисления и укорочением цепи при использовании доноров электронов, по редокс-потенциалу более положительных, чем NADH, или акцепторов электронов, более отрицательных, чем кислород.

NADH-дегидрогеназа E.coli содержит два редокс-центра (FMN и FeS-кластер) вместо шести в митохондриях. Существуют бактерии, восстанавливающие нитрат до нитрита. У грибов редокс-цепь для восстановления нитрата выглядит таким образом: NADPH→FAD→FeS→Mo→NO₃^- .

У других бактерий существуют редокс-цепи восстановления фумарата в сукцинат (редокс-потенциал 0,03 В). У некоторых бактерий синтез АТР сопряжен с образованием метана. Может осуществляться окисление субстратов с положительным редокс-потенциалом. Бактерия Thiobacillus ferrooxidans служит примером энергетики такого типа. В качестве энергетического ресурса она использует ион Fe²⁺, который окисляется кислородом до окисного железа. Существуют и другие примеры редуцированных дыхательных цепей.