Дыхательная цепь переноса электронов
Дыхательная цепь переноса электронов (ЭТЦ, англ. ETC, Electron transport chain) — система структурно и функционально связанных трансмембранных белков и переносчиков электронов. ЭТЦ запасает энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАД∙Н и ФАДН2 молекулярным кислородом (в случае аэробного дыхания) или иными веществами (в случае анаэробного) в форме трансмембранного протонного потенциала за счёт последовательного переноса электрона по цепи, сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану.
У прокариот ЭТЦ локализована в ЦПМ, у эукариот — на внутренней мембране митохондрий. Переносчики расположены по своему окислительно-восстановительному потенциалу, транспорт электрона на всём протяжении цепи протекает самопроизвольно.
Протонный потенциал преобразуется АТФ-синтазой в энергию химических связей АТФ. Сопряжённая работа ЭТЦ и АТФ-синтазы носит название окислительного фосфорилирования.
Цепь переноса электронов митохондрий
- Комплекс I (НАДН дегидрогеназа) окисляет НАД-Н, отбирая у него два электрона и перенося их на растворимый в липидах убихинон, который внутри мембраны диффундирует к комплексу III. Вместе с этим, комплекс I перекачивает 2 протона и 2 электрона из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.
- Комплекс II (Сукцинат дегидрогеназа) не перекачивает протоны, но обеспечивает вход в цепь дополнительных электронов за счёт окисления сукцината.
- Комплекс III (Цитохром-bc1-комплекс) переносит электроны с убихинона на два водорастворимых цитохрома с, расположенных на внутренней мембране митохондрии. Убихинон передаёт 2 электрона, а цитохромы за один цикл переносят по одному электрону. При этом туда также переходят 2 протона убихинона и перекачиваются комплексом.
- Комплекс IV (Цитохром c оксидаза) катализирует перенос 4 электронов с 4 молекул цитохрома на O2 и перекачивает при этом 4 протона в межмембранное пространство. Комплекс состоит из цитохромов a и a3, которые, помимо гема, содержат ионы меди.
Кислород, поступающий в митохондрии из крови, связывается с атомом железа в геме цитохрома a3 в форме молекулы O2. Каждый из атомов кислорода присоединяет по два электрона и два протона и превращается в молекулу воды.
Влияние окислительного потенциала
Основная статья: Окислительно-восстановительный потенциал
| Восстановитель | Окислитель | Ео´, В |
|---|---|---|
| Н2 | 2H+ | — 0,42 |
| НАД • Н + Н+ | НАД+ | — 0,32 |
| НАДФ • Н + Н+ | НАДФ+ | — 0,32 |
| Флавопротеин (восстановл.) | Флавопротеин (окисл.) | — 0,12 |
| Кофермент Q • Н2 | Кофермент Q | + 0,04 |
| Цитохром B (Fe2+) | Цитохром B (Fe3+) | + 0,07 |
| Цитохром C1 (Fe2+) | Цитохром C1 (Fe3+) | + 0,23 |
| ЦитохромыA (Fe2+) | ЦитохромыA(Fe3+) | + 0,29 |
| ЦитохромыA3 (Fe2+) | Цитохромы A3 (Fe3+) | +0,55 |
| H2O | ½ О2 | + 0,82 |
Система с более низким окислительно-восстановительным потенциалом обладает большей способностью отдавать электроны системе с большим потенциалом. Например, пара НАД•Н+/НАД+ , редокс-потенциал которой равен — 0,32 В будет отдавать свои электроны окислительно-восстановительной паре флавопротеин (восстановл.) / флавопротеин (окислен.), имеющей больший потенциал −0,12 В. Большая величина редокс-потенциала окислительно-восстановительной пары вода/кислород (+0,82 В) указывает на то, что у этой пары способность отдавать электроны выражена очень слабо[1].
Ингибиторы дыхательной цепи
Некоторые вещества блокируют перенос электронов через комплексы I, II, III, IV .
- Ингибиторы I комплекса — барбитураты, ротенон, пиерицидин
- Ингибитор II комплекса — малонат.
- Ингибитор III комплекса — антимицин А, миксотиазол, стигматтелин
- Ингибиторы IV комплекса — сероводород, цианиды, угарный газ, оксид азота.
Электронтранспортные цепи бактерий
Бактерии, в отличие от митохондрий, используют большой набор доноров и акцепторов электронов, а также разные пути переноса электрона между ними. Эти пути могут осуществляться одновременно, например, E. coli при выращивании на среде, содержащей глюкозу в качестве основного источника органического вещества, использует две НАДН дегидрогеназы и две хинолоксидазы, что означает наличие 4 путей транспорта электрона. Большинство ферментов ЭТЦ индуцибельны и синтезируются только в случае, если путь, в который они входят, востребован.
Донором электрона помимо органического вещества у бактерий могут выступать молекулярный водород, угарный газ, аммоний, нитрит, сера, сульфид, двухвалентное железо. Вместо НАДН и сукцинатдегидрогеназы могут присутствовать формиат-, лактат-, глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа, гидрогеназа и т. д. Вместо оксидазы, использующейся в аэробных условиях, в отсутствие кислорода бактерии могут использовать редуктазы, восстанавливающие различные конечные акцепторы электрона: фумаратредуктазу, нитрат- и нитритредуктазу и т. д.