potencjał redox

SPOSÓB WYZNACZANIA POTENCJAŁU RED-OX DLA NIEZNANYCH PÓŁOGNIW (UKŁADÓW FORMY UTLENIONEJ I ZREDUKOWANEJ)
Badane półogniwo połączone jest z półogniwem wodorowym przy pomocy mostka agarowego i przewodu elektrycznego łączącego elektrody. Badane półogniwo X zawiera elektrodę zanurzoną w 1 molowym roztworze formy utlenionej i 1 molowym roztworze formy zredukowanej badanej substancji, a półogniwo wodorowe składa się z elektrody zanurzonej w 1 molowym roztworze silnego 1 protonowego kwasu i elektroda opłukiwana jest (stale) gazowym wodorem pod ciśnieniem 1 atmosfery. Na elektrodzie wodorowej zachodzi reakcja gdzie H2 D2H+. Mostek agarowy nie bierze bezpośredniego udziału w procesie elektrochemicznym, zapewnia jednak przepływ elektronów pomiędzy półogniwami. Woltomierz służy do pomiaru napięcia pomiędzy półogniwami. Między nimi ujawniająca się różnica potencjałów powoduje przepływ elektronów. Jeżeli one płyną od półogniwa wodorowego w kierunku X, to potencjał przyjmuje wartość dodatnią, jeżeli w kierunku odwrotnym, przyjmuje się wartość ujemną. Standardowy potencjał redox dla badanego półogniwa wyznaczany jest zawsze przy pH = 7 i przy 1 molowym stężeniu obu form. Potencjał redox jest ściśle związany z energią swobodną reakcji utleniania i redukcji. Zależność tę przedstawia:
G0 = -nF * E0
F – stała Faradaya = 96,856 kJ/V*mol
n – liczba przenoszonych elektronów
E0 – potencjał standardowy
Energia swobodna, wynikająca z różnicy potencjałów miedzy przenośnikami, może być wykorzystana do syntezy ATP. Proces ten, który ma miejsce w łańcuchu oddechowym, nazywany jest fosforylacją oksydacyjną. Dlaczego organizmy żywe wytworzyły skomplikowany, wielostopniowy system przekazywania elektronów z NADH lub FADH2 na tlen??? Dlaczego nie wytworzyły 1 kompleksu enzymatycznego, który by bezpośrednio przeniósł te elektrony??? Zrobiły to dlatego, że różnica potencjałów między NADH i O2 jest ogromna i wynosi 1,14 (NADH: -42, tlen: +82). Przy takiej różnicy potencjałów, spadek energii swobodnej, obliczony z wzoru wynosiłby aż 220,2 kJ/mol. Reakcja taka przebiegałaby siłą ruchu eksplozji, a cała energia zamieniłaby się w ciepło. Łańcuch transportu elektronów zarówno z NADH, jak i FADH2 na tlen składa się z 3 trwale umocowanych w błonie wewnętrznej wielkich kompleksów enzymatycznych oraz 2 małych kompleksów. W transporcie elektronów z NADH na tlen biorą udział:
- I kompleks o nazwie reduktaza NADH koenzym Q lub kompleks dehydrogenazy NADH
- III kompleks to kompleks reduktazy cytochromowej lub kompleks cytochromów BC
- IV kompleks czyli oksydazy cytochromowej
Natomiast w transport elektronów z FAD zaangażowane są następujące kompleksy:
- II kompleks nazywany reduktazy bursztynianowej koenzymu Q
- Kompleks III i IV, dla obu dróg transportu elektronów są identyczne.
Między dużymi kompleksami enzymatycznymi umieszczone są małe kompleksy: CoQ i cytochromu C. Każdy z dużych kompleksów zawiera kilka przenośników elektronów, a są nimi flawiny, centra żelazosiarkowe, hemy oraz jony miedzi.
Kompleks I zbudowany jest z ponad 30 polipeptydów. Jest on kodowany przez genom jądrowy i mitochondrialny. Kompleks ten odbiera elektrony z NADH, przenosi na centra żelazosiarkowe, a ostatecznie przekazuje elektrony na CoQ. Protony pochodzące z FMNH2 są przepompowywane z MATRIX do przestrzeni międzybłonowej. Na każde 2 przenoszone elektrony kompleks ten przepompowuje 4 protony, pełni więc funkcję pompy protonowej.
Kompleks II, czyli kompleks reduktazy bursztynianowej, jest odpowiedzialny za przeniesieni 2 elektronów FADH2 na CoQ. W skład tego kompleksu wchodzi 1 z enzymów cyklu Krebsa: dehydrogenaza bursztynianowa. Kompleks ten, jako 1 z 4, nie działa jak pompa protonowa, bo różnica potencjałów między nim a CoQ jest niewielka.
Kompleks III przenosi elektrony z CoQ na cytochrom C i pompuje protony z MATRIX do przestrzeni międzybłonowej. Transportowi 2 elektronów towarzyszy przepompowanie tylko 2 protonów. W skład kompleksu III wchodzą cytochromy B i C1 oraz białka połączone z centrami żelazosiarkowymi.
Kompleks IV to kompleks odpowiedzialny za przeniesienie elektronu z cytochromu C na tlen. Przeniesieniu 2 elektronów towarzyszy przepompowanie 4 protonów. Działa więc jako pompa protonowa.
SYNTEZA ATP W POWIĄZANIU Z ŁAŃCUCHEM – FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA
Proces fosforylacji oksydacyjnej przebiega zgodnie z teorią Mitchela, która zakłada, że energia swobodna uwalniana podczas transportu elektronów zostaje wykorzystana do tworzenia w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej gradientu protonowego. Gradient protonowy jest 1 z 2 sił napędzających syntezę ATP. Największa zmiana energii swobodnej, mająca miejsce w 3 głównych kompleksach enzymatycznych, tj. w I, III i IV jest podstawą tego, że w/w 3 kompleksy pełnią funkcję pompy protonowej. Wypompowywanie jonów H+ wytwarza nie tylko wysokie stężenie jonów H+ w przestrzeni międzybłonowej, ale tworzy też potencjał elektryczny wewnętrznej błony mitochondrialnej. Potencjał ten ma wartość dodatnią po stronie błony zwróconej ku przestrzeni międzybłonowej, a ujemną po stronie MATRIX`owej. W ten sposób powstaje elektrochemiczny gradient protonowy. Syntezę ATP prowadzi enzym syntaza ATP. Jest on zakotwiczony w wewnętrznej błonie mitochondrialnej, ale z dala od przenośników tego łańcucha. Enzym ten napędzany jest (aktywowany) przez strumień protonów powracających w przestrzeni międzybłonowej do MATRIX. Tak, więc syntaza ATP jest aktywowana siłą protonomotoryczną, która jest sumą gradientu chemicznego i potencjału ładunków elektrycznych tworzonego w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej. Synteza ATP zbudowana jest z części F0, która jest zakotwiczona w wewnętrznej błonie i ma właściwości hydrofobowe. To stanowi kanał, przez który przechodzą protony w przestrzeni międzybłonowej i dalej do jednostki F tego enzymu. F1 jest hydrofilowe i jest