Енергія перенесення електронів з високою ефективністю запасається у протонному градієнті

Перенесення двох електронів від NADH через дихальний ланцюг на молекулярний кисень можна описати у такому вигляді:

NADH + Н⁺ + ½О₂ → NAD⁺ + Н₂О (19-5)

Ця сумарна реакція є високоекзергонічною. Для окисно-відновної пари NAD⁺/NADH Е′° становить -0,320 В, а для пари О₂/Н₂О це значення 0,816 В. Тому Δ Е′° для цієї реакції має значення 1,14 В, а зміна стандартної вільної енергії (див. Рівняння 13-6, с.) дорівнює:

Δ G ′° = - nF ΔЕ′° (19-6)

= -2(96,5 кДж/В • моль)(1,14В)

= -220 кДж/моль (NADH).

Ця зміна стандартної вільної енергії ґрунтується на припущенні, що концентрації (1М) NADH і NAD⁺ є однаковими. Під час активного процесу дихання у мітохондріях завдяки дії численних дегідрогеназ дійсне відношення [NADH]/[NAD⁺] значно вище одиниці, а тому величина реальної зміни вільної енергії реакції, наведеної у рівнянні 19-5, значно вища (більш негативна), ніж ‑220 кДж/моль. Подібний хід розрахунків для реакції окиснення сукцинату показав, що перенесення електронів від сукцинату (Е′° для фумарат/сукцинат = 0,031В) на О₂ має меншу, але все ще негативну величину зміни стандартної вільної енергії - близько -150 кДж/моль.

Більша частина цієї енергії використовується на викачування протонів із мітохондріального матриксу. На кожну пару електронів, які переносяться на О₂, чотири протони викачуються комплексом І, чотири – комплексом ІІІ і два протони - комплексом IV (рис. 19-15). Векторне рівняння для цього процесу наступне:

NADH + 11Н⁺_N + ½О₂ → NAD⁺ + 10Н⁺_р + Н₂О (19-7)

Електрохімічна енергія, зумовлена цією різницею у концентрації протонів і розділенням зарядів, і є тимчасовим запасанням більшої частини енергії, що утворюється у процесі перенесення електронів. Енергія, що запасається у такому градієнті, називається протонорушійною силою і включає два компоненти: (1) енергію хімічного потенціалу, зумовленого різницею у концентрації хімічної речовини (Н⁺) між двома ділянками, розділеними мембраною і (2) енергію електричного потенціалу, який виникає внаслідок розділення зарядів, коли протон рухається через мембрану без протиіона (рис. 19-16).

Як було показано у розділі 11, зміна вільної енергії для створення електрохімічного градієнта іонною помпою становить:

(19-8),

де С₂ і С₁ - концентрації іона у двох ділянках, при цьому С₂ > С₁; Z - абсолютне значення електричного заряду (1- для протона); Δψ - трансмембранна різниця електричного потенціалу у вольтах.

Для протонів при 25°С:

і рівняння 19-8 спрощується до:

(19-9)

(не можу виправити проміжки)

Під час активного дихання у мітохондріях величина Δψ становить від 0,15 до 0,20 В, а рН матриксу приблизно на 0,75 одиниць більш лужне, ніж рН міжмембранного простору, так що обчислена зміна вільної енергії при викачуванні протонів назовні становить близько 20 кДж/моль (Н⁺), більшість якої складає електрична частина електрохімічного потенціалу. Оскільки перенесення двох електронів від NADH на О₂ супроводжується викачуванням назовні 10 Н⁺ (рівняння 19-7), то виходить, що приблизно 200 кДж з тих 220 кДж, що вивільняються у разі окиснення одного моля NADH, запасаються у вигляді протонного градієнта.

Коли протони переміщаються спонтанно за своїм електрохімічним градієнтом, то енергія стає доступною для виконання роботи. У мітохондріях, хлоропластах та аеробних бактеріях за рахунок електрохімічної енергії протонного градієнта здійснюється синтез ATP з ADP і P_i. У підрозділі 19.2 ми повернемося до енергетики і стехіометрії синтезу ATP, зумовленого електрохімічним потенціалом протонного градієнта.

Дата добавления: 2015-08-18