В редокс-цепи

Последовательность реакций, связанных с переносом водорода на кислород при участии специфических переносчиков электронов, называется дыхательной (или электронтранспортной) цепью. У животных и человека она составлена из четырех основных типов переносчиков, каждый из которых способен претерпевать обратимое окисление и восстановление в результате потери и присоединения электронов при взаимодействии с другим переносчиком.

Первый тип переносчиков электронов в дыхательной цепи представлен никотинамидными коферментами – NAD⁺ и NADP⁺. Они способны активировать водород, отщепляемый от различных органических субстратов, действуя в составе дегидрогеназного окислительно-восстановительного ферментного комплекса. Коферменты NAD⁺ и NADP⁺ способны связываться с различными носителями, и каждый такой комплекс служит специфическим катализатором только в одной определенной реакции. Специфичность связывания коферментов NAD⁺ и NADP⁺ с ферментными белками зависит от аденин-нуклеотидной части их молекул, в то время как никотинамидная часть молекул этих коферментов придает им уникальное свойство действовать в качестве переносчиков электронов и протонов. В реакциях дегидрирования два атома водорода отщепляются от молекулы субстрата. Один атом водорода и один электрон переносятся на никотинамидное кольцо с образованием восстановленной формы коферментов NAD⁺ и NADP⁺ (NADН и NADPН), а другой атом водорода, потерявший электрон [Н⁺], освобождается в окружающую среду.

Дегидрогеназные реакции с участием коферментов NAD⁺ и NADP⁺ имеют ряд уникальных свойств, которые обуславливают их ключевую роль в процессах биологического окисления. Первая особенность – легкая обратимость при небольших изменениях свободной энергии, что позволяет коферментам участвовать как в окислении субстрата, так и в восстановлении продуктов реакции (в зависимости от потребностей клетки). Вторая особенность заключается в способности этих коферментов (как в окисленной, так и в восстановленной форме) легко отделяться от белка-носителя, в их высокой подвижности, что облегчает обмен атомами водорода и электронами между различными дегидрогеназными системами, расположенными в разных частях клетки. Коферменты NAD⁺ и NADP⁺ способны акцептировать водород от большого числа субстратов, окислительно-восстановительный потенциал которых ниже -0,3 В. К числу таких субстратов относятся продукты расщепления углеводов, жиров и различных аминокислот.

NAD⁺

Субстрат-Н₂ + NAD(P) ↔ Субстрат + NAD(P)H + H⁺

Второй тип переносчиков электронов, действующих в дыхательной цепи, ‒ это флавиновые коферменты: флавинмононуклеотид (FMN) и флавинадениндинуклеотид (FAD). В составе специфических дегидрогеназ (флавиновых ферментов или флавопротеинов) они выполняют роль простетической группы, участвующей в переносе электронов. Активной частью молекулы FAD или FMN служит изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина, к атомам азота которого могут присоединяться два атома водорода за счет внутримолекулярной перегруппировки двойных связей:

FMN

FMN и FAD прочно связаны с соответствующими дегидрогеназными белками и не могут свободно переносить восстановительные эквиваленты путем диффузии к другим дегидрогеназным системам. Реакции, катализируемые флавинзависимыми дегидрогеназами, труднообратимы, и, следовательно, флавиновые коферменты не могут служить источником водородных эквивалентов в процессах восстановительного биосинтеза.

В соответствии с относительно низкими окислительно-восстановительными потенциалами (около ‒0,1 В) флавопротеины могут акцептировать водород от NADH. При окислении янтарной кислоты, α-глицерофосфата и СоА-производных жирных кислот флавинзависимые ферменты могут играть роль первичных дегидрогеназ и непосредственно принимать электроны и протоны от окисляемых субстратов без участия NAD и связанных с ним дегидрогеназ:

NADH + H⁺ + Флавиновый фермент ↔ NAD⁺ + Флавиновый фермент

| |

FMN FMNH₂

Третий тип переносчиков электронов в дыхательной цепи представлен бензохиноновым соединением, носящим название кофермента Q, или убихинона. При восстановлении он присоединяет два электрона и два протона, образуя гидрохиноновую форму CoQH₂. Система CoQ/CoQH₂ имеет величину Е_о, лишь немногим более положительную, чем у флавопротеинов, которые поэтому могут передать свои восстанавливающие эквиваленты на хинон:

FPН₂ + СoQ → FP + СoQН₂ .

СoQ способен принимать водород от различных флавопротеинов. Система СoQ представляет собой узловой пункт, куда стекается водород, поступающий в дыхательную цепь от самых различных субстратов. Поэтому СoQ в дыхательной цепи представлен в более высоких концентрациях, чем большинство других переносчиков электронов. Хорошая растворимость в липидной фазе мембранных образований и относительно небольшой молекулярный вес придают СoQ свойство подвижного переносчика, взаимодействующего с фиксированными электронпереносящими белками.

Четвертый тип переносчиков электронов в дыхательной цепи от СoQ на кислород представлен группой различных гемсодержащих белков (гемопротеинов), называемых цитохромами. Отличаясь друг от друга структурой белкового компонента, все они имеют простетическую геминовую группу, по строению близкую к гему гемоглобина. В центре порфиринового кольца каждого гема находится ион железа. Гем цитохрома а отличается от простетических групп цитохромов b и c наличием формильного остатка, замещающего метильную группу. Цитохромы переносят электроны последовательно от СoQ на конечный акцептор – кислород. На участке NADH и СoQ осуществляется двухэлектронный перенос, цитохромы переносят по одному электрону. При этом происходит обратимое окисление-восстановление атома железа простетической группы, переходящего из Fe²⁺ в Fe³⁺. Следовательно, на данном участке цепи должны действовать две молекулы цитохромов.

Убихинон восстановленный CoQН₂