Не все виды обмена электронов происходят через АТФ-генерирующие окфос — блоки. Довольно часто электроны переносятся через небольшую разность потенциалов с незначительными изменениями в свободной энергии. Иногда они наталкиваются на более существенную разность потенциалов, но без какого-либо принуждения, которое позволило бы клетке использовать высвобождаемую энергию. В этом отношении биологические электроны можно уподобить рекам. Как и водопады, крутые падения электронов встречаются не часто, и не всегда каждое из . них используется в качестве источника энергии на электростанции.
Подобный «гидродинамический» образ полезен: он заставляет нас помнить о том, что электроны не всегда текут внутри живых клеток, как они это делают в электрическом проводнике; их обмен происходит на разных стадиях между восстановленным донором и окисленным акцептором. В результате донор окисляется и становится способным выступать в роли акцептора для другого донора, занявшего более высокий энергетический уровень. Акцептор же после восстановления может служить донором для акцептора более низкого энергетического уровня. Итак, электроны падают от одного носителя к другому до тех пор, пока не достигнут конечного акцептора. Им обычно является кислород.
Вот почему электроны не плывут вниз.преодолевая пороги разного уровня, как это свойственно рекам, а низвергаются через ряд последовательных крутых ступеней различной высоты. «Карты» электронных потоков живых клеток напоминают не столько естественную сеть водных путей, сколько системы взаимосвязанных бассейнов, которые столь искусно возводились в XVII в. в садах очень богатых людей. Но в отличие от садовых архитекторов, которые старались использовать красоты ландшафта для эстетического наслаждения, естественный отбор отдавал предпочтение такому виду энергии, который использовал очертания «местности» так, чтобы вырабатывалось как можно больше уступов для падения электронов. При этом высота уступов была достаточной, чтобы окфос-блоки снабжались энергией.Аналогия с гидродинамикой помогает нам оценить важный аспект переноса электронов, о котором мы упоминали лишь вскользь, а именно абсолютный уровень потенциала, при котором электроны либо отдаются, либо принимаются. В нашем представлении это соответствует высоте бассейнов, их положению над уровнем моря. Располагая такими данными, мы можем точно предсказать по разнице высот между двумя бассейнами направление потока воды между ними, а также максимальную энергию, которую можно получить от падения определенного количества воды из более высокого бассейна в бассейн, расположенный ниже (или, наоборот, минимальную работу, которую необходимо проделать, чтобы накачать определенное количество воды вверх из нижнего бассейна в верхний).
Эквивалентом высоты над уровнем моря для электронных резервуаров является окислительно-восстановительный потенциал (в вольтах) соответствующих редокспар. Зная его, можно легко установить происходящие энергетические изменения. Но для оценки потенциальной энергии электронов удобнее рассчитать свободную энергию реакции для каждого отдельного случая, при котором одна пара электрон-эквивалентов переносится на кислород с образованием воды. Мы выбрали кислород в качестве акцептора из-за его универсальной функции конечного электронного акцептора у всех аэробных организмов. Взять, к примеру, пару НАДН/НАД+. Мы установили реакцию
НАДН + Н+ + ‘/202 —* НАД+ + Н20.
Свободная энергия этой реакции АС0КИСЛ.(НАДН/НАДМ выражается в килокалориях на пару электрон-эквивалентов и служит прямым выражением максимального объема работы, которая может быть совершена при падении электронов из бассейна с НАД и на всем протяжении их пути вниз в направлении к пункту, который для большинства организмов является нулевым уровнем энергии: к воде. Это соответствует электронному потенциалу (не путать с окислительно-восстановительным потенциалом) пары НАДН/НАД4″
Как и все изменения свободной энергии, электронные потенциалы меняются вместе с изменением состояния системы. В приведенном примере концентрация НАДН и НАД+, а также иона водорода (рН), парциальное давление кислорода и температура — все вместе определяют точное значение ДОокисл. (НАДН/НАД+) • Ясно, что мы не в состоянии осуществить столь тонкие измерения, и в большинстве случае мы не располагаем необходимыми для этого данными. Все, что можно сделать, это попытаться как можно точнее представить условия, характерные для живой клетки. Установленные при этом показатели ДОокисл. будут называться «физиологическими» электронными потенциалами; кавычки служат напоминанием о том, что мы имеем дело с приблизительными значениями, подверженными определенным отклонениям даже в идеальных условиях.
При гликолизе «физиологические» электронные потенциалы приблизительно равны —63 ккал на пару электрон-эквивалентов, перенесенных на кислород для каждой пары фосфоглицериновый альдегид/фосфоглицериновая кислота, и около — 49 ккал на пару электрон-эквивалентов, перенесенных на кислород для каждой пары НАДН/НАД+, так же как и для пар этанол/ацетальдегид и молочная кислота/ пировиноградная кислота. Эти величины,приведенные здесь со знаком минус, чтобы указать на экзергоническую природу про-исходящих реакций, показывают, что гликолиз происходит почти при термодинамическом равновесии. Между фосфоглицериновым альдегидом и НАД+ разность потенциалов составляет 14 ккал на пару электрон-эквивалентов; этого вполне достаточно, чтобы снабдить энергией сборку 1 г-моль АТФ. Между НАДН и ацетальдегидом или пировиноградной кислотой разность потенциалов незначительная. Это означает, что система легко обратима и направление потока электронов зависит от незначительных изменений. Когда гликолиз выполняет катаболические функции, как мы установили в этой главе, уровень в верхнем бассейне несколько выше или ниже, чем в нижнем бассейне, по сравнению с указанным, поэтому поток электронов может свободно направляться вниз и поддерживать энергетически сборку АТФ. Но если уровень электронов изменяется в обратном направлении и АТФ поступает из другого источника, поток электронов тоже изменяет свое направление, и гликолиз начинает выполнять анаболическую роль. Так происходит, например, в печени, когда углеводы образуются из неуглеводных источников (глнжонеогенез), и у растений (у которых вместо НАД имеется НАДФ), когда требуемый АТФ производится в процессе вырабатывания световой энергии (см. гл. 10).
Обратите внимание на следующее: «цена» образования АТФ не более постоянная величина, чем «стоимость» любого другого вида «физиологической» свободной энергии. Она сама по себе подвержена колебаниям, будучи зависимой от внутриклеточных концентраций АТФ, АДФ и неорганического фосфата. Если, например, концентрация АТФ снижается, а АДФ — повышается, что случается в процессе тяжелой работы, то для образования АТФ потребуется менее 14 ккал/г-моль, и равновесие гликолитического окфос-блока соответственно изменится. Как мы увидим в гл. 9 и 14, основной регуляторный механизм данного явления зависит именно от такого рода взаимодействия.
