БІОХІМІЯ - Підручник - Остапченко Л. І. - 2012
Розділ 16. ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ОБМІН
16.1.Біологічне окиснення
16.1.2.Окисно-відновні реакції. Окисно-відновний потенціал
Під окисненням розуміють відщеплення електронів, а під відновленням - приєднання їх. Окиснення донора електронів завжди супроводжується відновленням акцептора електронів. Цей принцип окисно-відновних процесів застосовується й до біохімічних систем. У будь-якій окисно-відновній реакції бере участь акцептор електронів (окисник) і донор електронів (відновник), наприклад:
Сумарну реакцію (1) можна умовно розділити на дві напівреакції (2), (3):
У кожній із них бере участь окиснена й відновлена форма однієї сполуки, їх називають спряженою парою, або редокс-парою. Різні редокс-пари мають різне споріднення до електрона. Ті, в яких ця спорідненість є меншою, віддають електрон тим, у кого вона більша. Ступенем спорідненості редокс-пари до електрона слугує окисно-відновний потенціал, або редокс-потенціал (E0), величина якого безпосередньо зв'язана зі зміною вільної енергії. Величину Eo виражають у вольтах; чим вона менша (негативна), тим менша спорідненість речовини до електронів. Чим більша спорідненість, тим більший відновний потенціал.
Редокс-потенціали Eo зв'язані зі зміною вільної енергії рівнянням Нернста:
де n - число перенесених у реакції електронів; F - постійна Фарадея (95 500 Кл-моль-1); ΔЕ0 - різниця редокс-потенціалів електронодонорної та електроноакцепторної пар (В).
Величина Δ Е0 - стандартна величина окисно-відновного потенціалу; її визначають у стандартних умовах, коли концентрації всіх речовин рівні 1 моль/л, тиск газів становить 1013 гПа (1 атм), рН 7,0 (табл. 16.2).
Основні етапи трансформації енергії катаболічних процесів. Енергія звільняється в процесі ферментативного окиснення метаболітів специфічними дегідрогеназами. У реакціях дегідрування електрони і протони переходять від органічних
субстратів на коферменти НАД- і ФАД-залежних дегідрогеназ. Електрони з високим енергетичним потенціалом передаються від відновлених коферментів НАДН і ФАДН2 до кисню через ланцюг переносників, локалізованих у внутрішній мембрані мітохондрій. Відновлення молекули О2 відбувається в результаті перенесення чотирьох електронів. При кожному приєднанні до кисню двох електронів, що надходять до нього по ланцюгу переносників, із матриксу мітохондрій поглинаються два протони, у результаті утворюється молекула Н2О.
Таблиця 16.2
Стандартні окисно-відновні потенціали деяких сполучених пар
Окисно-відновна пара |
E0, В |
2Н+/Н2 |
- 0,42 |
НАД+/НАДН |
- 0,32 |
НАДФ+/ НАДФН |
- 0,32 |
НАДН-дегідрогеназа (ФМН-форма) / НАДН-дегідрогеназа (ФМНН2-форма) |
- 0,30 |
ФАД-білок/ ФАДН2-білок |
- 0,05 |
Сукцинат/фумарат |
+ 0,03 |
Убіхінон / убіхінол |
+ 0,04 |
Цитохром b Fe3+/цитохром b Fe2+ |
+ 0,07 |
Цитохром сі Fe3+/цитохром сі Fe2+ |
+ 0,23 |
Цитохром с Fe3+/цитохром с Fe2+ |
+ 0,25 |
Цитохром а Fe3+/цитохром а Fe2+ |
+ 0,29 |
Цитохром а Fe3+/цитохром а Fe2+ |
+ 0,55 |
1/2 О2 + 2 Н+ + 2е-/Н2О |
+ 0,82 |
Окиснення органічних речовин у клітинах, що супроводжується споживанням кисню й синтезом води, називають тканинним диханням, а ланцюг перенесення електронів (ЛПЕ) - дихальним ланцюгом. Електрони, які надходять у ЛПЕ, у міру надходження їх від одного переносника до іншого втрачають вільну енергію. Значна частина цієї енергії запасається у формі АТФ, а частина її розсіюється у вигляді тепла. Крім того, електрони з високим енергетичним потенціалом, котрі виникають при окисненні різних субстратів, можуть бути використані в реакціях біосинтезу, для яких крім АТФ потрібні відновні еквіваленти, наприклад НАДФН.