Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985

Биоэнергетика и метаболизм
Перенос электронов, окислительное фосфорилирование и регуляция синтеза АТР
Реакции переноса электронов - это окислительно-восстановительные реакции

Выше мы рассматривали некоторые ферментативные реакции, в которых водородные атомы или электроны передаются от одной молекулы к другой. Теперь мы вновь займемся такими реакциями и рассмотрим отдельные их характеристики с количественной стороны. Химические реакции, в процессе которых происходит перенос электронов от одной молекулы к другой, называются окислительно-восстановительными реакциями. Соединения, отдающие электроны в такой реакции, называются донорами электронов или восстановителями, а соединения, присоединяющие электроны, акцепторами электронов или окислителями.

Окислители и восстановители всегда функционируют как сопряженные окислительно-восстановительные пары (редокс-пары), подобно тому как кислоты и основания функционируют как сопряженные кислотно-основные пары (разд. 4.8). Напомним, что кислотно-основные реакции описываются следующим общим уравнением:

Такое же общее уравнение можно написать и для окислительно-восстановительных реакций:

Типичным примером окислительно-восстановительной реакции может служить реакция

в которой закисное железо (Fe²⁺) играет роль донора электронов, а окисное (Fe³⁺)-роль акцептора. Вместе ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ представляют собой сопряженную окислительно-восстановительную пару.

Существует четыре способа передачи электронов от одной молекулы к другой.

1. Прямой перенос электронов. Например, окислительно-восстановительная пара Fe²⁺-Fe³⁺ может передавать свои электроны паре Сu⁺ Сu²⁺

Fe²⁺ + Сu²⁺ → Fe³⁺ + Сu⁺.

2. Перенос в составе атомов водорода. Напомним, что атом водорода состоит из протона (Н⁺) и электрона (е^-). В этом случае общее уравнение имеет вид

где АН₂-донор водорода (или электронов), А акцептор водорода, а вместе они составляют сопряженную окислительно-восстановительную пару, способную восстанавливать акцептор электронов В путем переноса атомов водорода

АН₂ + В → А + ВН₂.

3. Перенос электронов от донора к акцептору в форме гидрид-иона (:Н ), несущего два электрона, как это имеет место в случае NAD-зависимых дегидрогеназ (разд. 10.6).

4. Перенос путем прямого взаимодействия органического восстановителя с кислородом, приводящего к образованию продукта, в котором содержится ковалентно связанный кислород. Примером такой реакции служит окисление углеводорода до спирта

В этой реакции донором электронов является углеводород, а атом кислорода играет роль акцептора.

Все эти четыре способа переноса электронов используются в живых клетках. Поэтому для обозначения одного электронного эквивалента, участвующего в окислении-восстановлении, часто пользуются нейтральным термином восстановительный эквивалент. Этот термин ничего не говорит нам о том, в какой форме совершается перенос электрона, т. е. что именно передается - сам электрон как таковой, водородный атом, гидрид-ион или же передача происходит в реакции с кислородом, приводящей к образованию окисленного продукта. Ниже мы увидим, что перенос электронов в митохондриях совершается в различной форме: переносятся гидрид-ионы, водородные атомы и, наконец, просто электроны (на последних стадиях, катализируемых цитохромами).

При ферментативном окислении молекул биологического топлива отщепляется обычно по два восстановительных эквивалента и каждый атом кислорода присоединяет к себе тоже два восстановительных эквивалента. Поэтому «единицей» биологического окисления принято считать перенос одной пары восстановительных эквивалентов от субстрата на кислород.