В клетках реализованы эффективные системы, позволяющие чётко контролировать перемещение каждого электрона персонально. Биологические системы перемещают электроны по одному от одного переносчика к другому вдоль строго определённых бионаноэлектрических цепей (bionanocircuits). Такой процесс называется перенос заряда (charge transfer) или передача заряда.
Перенос одиночных электронов вдоль сложных цепей переноса широко распространен в биологических системах, поэтому имеем много эффективно функционирующих и наглядных примеров, которые и следует использовать в качестве прототипов при разработке собственных (искусственных) бионаноэлектрических цепей.
Некоторые примеры компонентов бионаноэлектрических цепей: нитрогеназа, НАДН, убихинон, ферредоксин, комплекс цитохром b-c.
Это малые органические молекулы, которые переносят электрон от точки к точке, от узла к узлу бионаноэлектрической цепи. Некоторые из них водорастворимы, как НАДН, другие, как убихинон (кофермент Q), липофильны и переносят электроны внутри биомембраны. Малые белки, такие, как ферредоксин, также используются для переноса электронов по клетке.
Эти малые переносчики используются для доставки электронов к большим белковым бионаномашинам, для которых эти электроны являются источником энергии. Примерами таких больших бионаномашин, "питающихся" электронами, являются цитохромный комплекс b-c1 и фермент нитрогеназа, которые катализируют окислительные реакции. Эти белки используют разнообразные простетические группы для осуществления переноса электронов.
Схема электронно-транспортной цепи представлена ниже. Она представляет собой бионаноэлектрическую цепь, которая сопрягает перенос электронов с процессом формирования градиента протонов. Высокоэнергетичные электроны, которые получаются в процессе окисления глюкозы, доставляются в бионаноэлектрическую цепь молекулами НАДН. Затем поток электронов проходит через три больших мембранных насоса. Электроны переносятся между насосами малыми мобильными переносчиками: убихиноном (СоQ) и цитохромом с.
В процессе перемещения электронов по цепи простетических групп внутри каждого из насосов энергия этого перемещения используется для переноса протонов через мембрану. В конце этой бионаноэлектрической цепи электроны связываются молекулами кислорода с последующей конверсией их в молекулы воды.
Особенности акцепторов электронов. Каждый акцептор электрона имеет характерный восстановительный потенциал, который количественно описывает его сродство к электрону. Белковое окружение простетических групп в бионаноэлектрических цепях может в сотни и тысячи раз изменять величину этого потенциала группы, изменяя в непосредственной близости от простетических групп пространственное положение определённых аминокислотных остатков, которые стабилизируют или дестабилизируют связывание электрона с простетической группой. Потенциал каждого акцептора может быть установлен таким образом, чтобы обеспечить необходимую последовательность перемещения электрона от начала до конца цепи. Движимый такими ступенчатыми понижениями свободной энергии электрон перемещается от одного объекта к другому вдоль заданной цепи. От одного акцептора к другому электроны переносятся квантовомеханическим туннелированием (которое является эффективным на расстоянии до 1.4 нм).
Если необходимо перенести электрон на большие расстояния, то используется набор выстроенных цепочкой акцепторов, расположенных на расстояниях менее 1.4 нм друг от друга. На таких расстояниях скорость переноса электрона чрезвычайно высока (время переноса составляет 10-7-10-13 секунды). Причем, если реакционные центры находятся достаточно близко, то туннелирование электрона происходит без учёта окружения.
В целом природный транспорт электронов ограничен двумя основными задачами: 1. доставка электрона в объём реакционной системы для использования его в реакции восстановления; 2. снабжение энергией других процессов таких, как перекачка протонов через мембрану.
Природные системы не используют одноэлектронный транспорт для "вычислений". Природные биологические "компьютеры" на нано-уровне основаны на сети жёстко связанных генетических и биохимических процессов, а на микроуровне – на программируемой сети нервных волокон. Именно бионанотехнология может заняться разработкой одноэлектронных компьютеров