Електрони атомів водню, відібраних від субстратів циклу Кребса, надходять в ланцюг перенесення електронів, яка також називається ланцюгом електронного транспорту (ЦЕМ), або респіраторної, або дихальної ланцюгом, а іони водню Н + переходять у водне середовище. ЦЕМ складається з декількох молекул різної природи, здатних легко відновлюватися (приймати електрони) і окислюватися (віддавати електрони). З цієї ланцюга електрони переносяться поступово, від одного переносника до іншого і невеликими порціями віддають свою енергію, поки не надійдуть на кінцевий акцептор - кисень (Рис.9, 11). Приєднанню електронів до кисню, що здійснюється цитохромоксидазой, або комплексом цитохромів (а + а3), супроводжує поглинання 4 протонів Н +. В результаті утворюється молекула води:
Суміш газоподібних водню і кисню, яка називається гримучим газом, легко вибухає з утворенням води. При цьому за дуже короткий час у вигляді тепла, світла і звуку виділяється значна енергія, яку безпосередньо не можна запасти. А в дихальної ланцюга ця енергія вивільняється невеликими порціями на кожному етапі перенесення електронів. Це дозволяє провести реакцію в м'яких умовах при 37 о С і 1 атм і запасти значну частину виділилася енергії у вигляді протонного градієнта на внутрішній мітохондріальній мембрані. За рахунок енергії цього градієнта і синтезуються ATP. За один оборот циклу Кребса в ланцюг електронного транспорту подається 8 електронів, за рахунок енергії яких через мітохондріальну мембрану переноситься приблизно 36 протонів Н +. Енергія, запасені в протонному градієнті, може використовуватися для синтезу 9 молекул АТР.
Ланцюг електронного транспорту
При перенесенні електронів здійснюються окислювально-відновні реакції, в яких молекули-переносники електронів послідовно окислюються або відновлюються (віддають або приєднують електрони, відповідно). У молекулах переносників електрони локалізуються на системі р-рівнів органічних молекул з сполученими зв'язками (піридиннуклеотидів, флавинов, хинонов) або на атомах металів зі змінною валентністю, таких як залізо (Fe 2+ # 45; Fe 3+) або мідь (Cu + # 45; Cu 2+). В ході перенесення від субстратів циклу Кребса на кисень (Рис.11) електрони поступово переходять на все більш низькі енергетичні рівні. У цьому процесі виділяється і запасається основна частка енергії поживних речовин. Перенесення електронів здійснюється в ЦЕМ трьома способами: (а) прямим перенесенням, як в реакції: Fe 3+ + e # 45;> Fe 2 +; (Б) перенесенням атома водню (тобто одночасним перенесенням H + і e # 45; ) І (в) перенесенням гідрид-іона: H # 45 ;. тобто протона, оточеного одночасно двома електронами. Для характеристики окисно-відновних процесів використовується термін «відновлювальний еквівалент», що позначає перенесення електрона незалежно від способу перенесення.
У трьох пунктах циклу Кребса ферменти малатдегідрогеназа, ізоцитратдегідрогеназа і -кетоглутаратдегідрогеназа відбирають по два атома Н від субстратів малата, ізоцитрату і -кетоглутарата і переносять один з них на свій кофермент никотинамидадениндинуклеотид (NAD +) у вигляді гідрид-іона: H # 45; (Рис.12). Другий атом водню у вигляді протона H + йде при цьому в воду:
R-CH2 -OH + NAD +> NADH + R-C = O + H + (в воду)
Далі фермент NADH-дегидрогеназа з коферментом FMN (флавінаденінмононуклеотід) забирає два відновлювальних еквівалента у вигляді гідрид-іона: H # 45; у NADH:
NADH + H + + FMN> NAD + + FMNH2
Малюнок 11 - Ланцюг електронного транспорту. А. Послідовність переносників електронів в ЦЕМ. Б. Діаграма, схематично відображає енергію, що виділяється на різних щаблях ЦЕМ
Потім водень переноситься на кофермент Q (CoQ):
Від молекул CoQ електрони переносяться по одному на ланцюжок білків цитохромов і далі на кисень, який при цьому з'єднується з іонами H + з утворенням молекули води. При проходженні пари електронів цим шляхом виділяється найбільша кількість енергії (Рис.11). Дійсно, за даними про окисно-відновних потенціалах на різних етапах перенесення електронів, наведеними в таблиці 3, можна обчислити значення відповідних стандартних змін вільної енергії. Різниця енергій при перенесенні пари електронів між кінцевою ланкою ЦЕМ (Ѕ O2 + 2H + + 2e # 45;> H2 O) і початковою ланкою (NAD + + H + + e # 45;> NADH) становить: = -37,6 - 2 • 7,36 = - 52,3 ккал / моль.
Дихальний коефіцієнт - відношення спожитого фосфату до спожитого кисню Р: Про оцінюється як 3: 1, тобто відновлення атома кисню двома переносяться по ланцюгу електронами дозволяє приєднати 3 молекули неорганічного фосфату до 3 молекулам ADP, що дає 3 молекули ATP. Для цього в стандартних умовах потрібно 3 • (-7,3 ккал / моль) = -21,9 ккал / моль, тобто к.к.д. цього процесу становить приблизно 42%.
Від іншого компонента циклу Кребса, сукцината, фермент сукцинатдегідрогеназа з коферментом флавінаденіндінуклеотіда (FAD) також відбирає два атома водню (Ріс.8,11) і приєднує їх до CoQ, переносячи при цьому два відновлювальних еквівалента. В цьому випадку при проходженні більш короткого ділянки ЦЕМ синтезуються тільки 2 молекули ATP. Але цей шлях не менш, а більш енергоємний, тому що сукцинатдегідрогеназа відрізняється більшою продуктивністю.
Таблиця 3. Редокс-реакції (полуреакции) компонентів ланцюга електронного транспорту мітохондрій
Редокс-реакції (полуреакции) компонентів ланцюга електронного транспорту мітохондрій