2.3. ПЕРЕНОС ЭЛЕКТРОНОВ В БИОСТРУКТУРАХ

Многие важные для функционирования клетки механизмы связаны с переносом электронов по транспортным цепочкам. Наиболее изучены в этом отношении транспортная цепь митохондрий и хлоропластов.

В митохондриях электрон-транспортная цепь переносит электроны от НАДН на кислород. Схема цепи дана ниже:

Каковы физические основы переноса электронов по этой цепи Каждый участник транспортной цепи может быть охарактеризован окислительно-восстановительным потенциалом (редокс-потенциалом) - величиной, характеризующей способность вещества принимать электроны. Чем больше редокс-потенциал, тем сильнее сродство вещества к электрону.

(5)

где Е - редокс-потенциал

Е₀ - стандартное значение редокс-потенциала

R - газовая постоянная

Т - абсолютная температура

- число электронов, переносимых от восстановленной формы к окисленной

- число Фарадея

- концентрация окисленной формы

- концентрация восстановленной формы

Физико-химические справочники содержат значения Е₀ для различных веществ при температуре t⁰ = 20°С. Пара НАД⁺ / НАДН имеет Е₀ = - 0.32 в, а пара 1/2 О₂ / Н₂О имеет стандартный потенциал равный плюс 0.82. в. Это значит, что при физиологических концентрациях НАД⁺, НАДН, О₂, и Н₂О электроны будут переноситься с НАДН на кислород, так как окислительно-восстановительный потенциал кислорода значительно больше, чем потенциал НАДН.

Промежуточные участники транспорта электронов имеют редокс потенциалы между - 0.32 в и + 0.82 в. Таким образом, направленность транспорта электронов задаётся пространственным расположением участников транспорта и их окислительно-восстановительными потенциалами.

Соотношение редокс - потенциалов создаёт лишь термодинамические предпосылки для переноса электронов. Скорость же процесса зависит ещё и от высоты энергетического барьера, который необходимо преодолеть при переносе электрона от одного участника к другому.

Обычно энергия, необходимая для преодоления барьера, доставляется тепловым движением молекул. Поэтому скорость транспорта увеличивается с температурой в соответствии с уравнением Аррениуса:

(6)

где К - константа скорости процесса

К₀ - предэкспоненциальный множитель

Е - энергия активации

R - газовая постоянная

Т - абсолютная температура

Однако, в некоторых случаях наблюдается практически независимость скорости переноса электронов от температуры.. Например, перенос электронов от цитохрома с к возбуждённой молекуле бактериохлорофилла при фотосинтезе пурпурных бактерий в диапазоне температур 140 - 4°К не зависит от температуры. Для объяснения этого явления привлекли теорию туннельного эффекта.

Суть этого эффекта состоит в том, что электрон может перейти от донора к акцептору и под энергетическим барьером, то есть без дополнительной энергии. Эта возможность обусловлена волновыми свойствами электрона.

Вероятность подбарьерного перехода тем больше, чем ниже барьер и чем меньше его толщина (то есть, чем меньше расстояние между донорным и акцепторным участками). Количественно вероятность туннелирования описывается формулой Гамова:

(7)

где р - вероятность туннелирования сквозь барьер

а - ширина барьера

Е - высота барьера

R - масса электрона

T- постоянная Планка

Например, при а = 1А° и E = 1эв получим:

Как видим, вероятность туннелирования довольно велика. Из формулы (7) видно, что ширина барьера сильно влияет на вероятность туннелирования. Это значит, что сближение в пространстве донора и акцептора электронов может существенно увеличивать вероятность туннелирования электронов.

Для необратимости процесса туннелирования электрона необходимо, чтобы после перескока электрона на акцептор часть энергии диссипировала в тепло. Следовательно, переносчики электрона должны обладать такими свойствами, которые обеспечивают необходимую скорость диссипации электронной энергии в тепло после туннелирования.

Диссипация электронной энергии в тепло при туннелировании может обеспечиваться либо взаимодействием электрона с окружающими его молекулами, либо электронно-колебательными взаимодействиями в молекуле самого переносчика.

Процесс диссипации электронной энергии в тепло происходит очень быстро - за 10^-12 – 10^-13сек (это характерные времена колебания ядер). После того как электрон перешёл на акцептор и часть электронной энергии диссипировала в тепло, начинается новый процесс - конформационный переход к новому равновесному расположению ядер в молекуле акцептора. Этот процесс занимает гораздо больше времени – 10^-3- 10^-6 сек. Причиной конформационного перехода в данном случае является перенос электрона от донора к акцептору. Поэтому в целом этот процесс (конформационный переход, вызванный взаимодействием с электроном) получил название электронно-конформационного взаимодействия.

Расстояния, на которые перемещаются ядра при конформационных переходах, могут достигать нескольких ангстрем.

Каково функциональное предназначение электронно-конформационных взаимодействий?

Если бы переносом электрона от донора на акцептор всё и заканчивалось, то конформационный переход в молекуле акцептора был бы не нужен. Но электрон должен двигаться дальше к следующему переносчику. Поэтому необходимо создать условия для перескока электрона на очередную молекулу акцептроа. Этой цели и служит конформационный переход в переносчике, получившем электрон. В результате конформационного перехода атомные группировки могут перемещаться таким образом, что вероятность перескока электрона на следующий переносчик становится большой (например, происходит сближение донорного участка в одной молекуле с акцепторным участком - в другой).

Таким образом, конформационные переходы в белках-переносчиках обеспечивают перенос электрона по цепи, участники которой фиксированы в мембране.