Пируват как конечный акцептор электронов в электрон-транспортной цепи

Кто-то еще может прийти позже с окончательным ответом, но я нашел этот вопрос интригующим, поэтому вот мои мысли:

Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы митохондриальных переносчиков ЭТЦ:

NAD⁺/NADH              -0.32 V
complex I (Fe-S)       -0.27 V
complex II (cyt b₅₆₀)  -0.08 V
complex III ((cyt c₁)  +0.23 V
complex IV (cyt a₃)    +0.38 V
O₂/H₂O                 +0.82 V

Отметим, что транспорт электронов осуществляется от минуса к плюсу.

Теперь для пирувата/лактата стандартный окислительно-восстановительный потенциал составляет -0,19 В, поэтому на основе этого пирувата теоретически может принимать электроны от комплекса I, но не дальше по цепи. Однако комплекс I обычно переносит электроны на кофермент Q внутри мембраны . Стандартный окислительно-восстановительный потенциал CoQ составляет +0,04 В, что уже слишком положительно, чтобы затем можно было восстановить пируват на поверхности мембраны. Таким образом, должен существовать новый способ переноса электронов от конечного FeS-центра комплекса I, который находится внутри мембраны, к пирувату. Пируват, конечно, растворим и образуется в результате цитоплазматического гликолиза, поэтому этот перенос должен происходить на поверхности мембраны, обращенной к межмембранному пространству митохондрий.

Если бы такая схема развилась, то можно было бы добиться некоторой протонной прокачки через новую версию комплекса I, что было бы энергетически выгодно.

Другая сложность заключается в том, если предположить, что комплекс I с пируватом в качестве акцептора электронов развился, как клетка/митохондрия будет регулировать поток электронов во время аэробного дыхания? Предположительно, версию комплекса I, принимающую пируват, нужно каким-то образом держать в неактивном состоянии до тех пор, пока она не понадобится.

Ясно, что гораздо проще иметь растворимую лактатдегидрогеназу для взаимодействия с пируватом и регенерации НАД⁺.

Сводный ответ

При анаэробном дыхании изменение свободной энергии при повторном окислении НАДН пируватом меньше, чем потребовалось бы для фосфорилирования молекулы АДФ до АТФ. Цель цепи переноса электронов состоит в том, чтобы использовать гораздо большее изменение свободной энергии при окислении НАДН молекулярным кислородом. Таким образом, пируват не может «занять место О ₂ в качестве конечного акцептора электронов», и не было бы никакого смысла модифицировать этот сложный механизм только для того, чтобы пируват мог использовать его для регенерации НАД ⁺ , когда единственный цитоплазматический фермент (лактатдегидрогеназа ) справится с задачей.

Более подробный числовой ответ

Этот ответ взят из раздела 18.2 Берга и др. и включает расчеты изменений свободной энергии от окислительно-восстановительных потенциалов различных полуреакций и их отношения к свободной энергии гидролиза АТФ. Это стоит внимательно прочитать, но я резюмирую ключевые моменты.

• И пируват, и кислород могут окислять НАДН, но сопутствующее изменение стандартной свободной энергии Гиббса в этих двух случаях сильно различается. В этом суть дела.
• Стандартный окислительно-восстановительный потенциал для NADH → NAD ⁺ составляет +0,32 В.
• Стандартный окислительно-восстановительный потенциал для пирувата → лактата составляет –0,19 В.
• Стандартный окислительно-восстановительный потенциал для O ₂ → H ₂ O составляет +0,82.

Объединение этих окислительно-восстановительных потенциалов полуреакции в двух реакциях окисления с последующим преобразованием в стандартное изменение свободной энергии (ΔG˚ʹ):

• Окисление НАДН пируватом: ΔG˚ʹ = –6,0 ккал/моль
• Окисление НАДН кислородом: ΔG˚ʹ = –52,6 ккал/моль

Но ΔG˚ʹ для АДФ → АТФ = –7,5 ккал/моль

Таким образом, можно видеть, что энергетика окисления НАДН пируватом не дает энергии, достаточной для синтеза даже молекулы АТФ, не говоря уже о прибл. 3, полученные из кислорода. Цепь переноса электронов представляет собой устройство для разделения этой последней реакции окисления на этапы, так что изменение свободной энергии можно использовать для создания протонного градиента, который используется для образования АТФ. Он может работать только с достаточно мощным окислителем.

Окисление NADH пируватом полезно, но только для регенерации NAD ⁺ , чтобы позволить продолжиться гликолизу и генерировать меньшее количество АТФ путем фосфорилирования на уровне субстрата, которое стало возможным благодаря реакции глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы. Для этого окисления требуется только простой фермент, лактатдегидрогеназа. Конечно, нет никакой причины транспортировать пируват в митохондрии (при условии, что они существуют — вспомним эритроциты), хотя этот процесс не до конца изучен , но вполне может потребовать затрат энергии.