Учебник для ВУЗОВ

БИОХИМИЯ

>>> Перейти на полный размер сайта >>>

Д. Ферменты и коферменты, участвующие в окислительновосстановительных реакциях

Перенос электронов от окисляемых субстратов к кислороду происходит в несколько этапов. В нём участвует большое количество промежуточных переносчиков, каждый из которых способен присоединять электроны от предыдущего компонента и передавать следующему. Так возникает цепь окислительно-восстановительных реакций, в результате чего происходят восстановление O₂ и синтез Н₂O. В дыхательную цепь митохондрий входит большое число переносчиков (рис. 6-4).

Рис. 6-4. Митохондриальная цепь переноса электронов. Комплекс I содержит FMN и не менее пяти железо-серных белков (FeS). Комплекс III включает две разные формы цитохрома b (с максимумами поглощения 562 и 566), один FeS-белок и цитохром сг Комплекс IV содержит цитохромы а₁ и а₃ и два иона меди. Комплекс II (сукцинатдегидрогеназа) на рисунке не показан (см. рис. 6-13). Комплекс V - АТФ-синтаза

За исключением убихинона (KoQ), все компоненты ЦПЭ — белки. В составе этих белков содержатся различные небелковые компоненты: FMN, Fe в составе железо-серных белков и в составе порфириновых колец, ионы Сu.

1. Первичные акцепторы водорода

Первичные акцепторы водорода окислительновосстановительных реакций относят к 2 типам дегидрогеназ: никотинамидзависимым, содержащим в качестве коферментов производные никотиновой кислоты, и флавинзависимым, содержащим производные рибофлавина (см. раздел 2).

Никотинамидзависимые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов NAD+ или NADP⁺ (см. раздел 2). NAD⁺ и NADP⁺ — производные витамина РР. Эти коферменты входят в состав активных центров дегидрогеназ, но могут обратимо диссоциировать из комплекса с апофермен-тами и включаются в состав фермента в ходе реакции. Субстраты NAD^- и NADP-зависимых дегидрогеназ находятся в матриксе митохондрий и в цитозоле. Рабочей частью никотинамидных коферментов служит никотинамид (рис. 6-5).

Рис. 6-5. Структурные формулы рабочей части коферментов NAD⁺ и NADP⁺. В окисленной форме никотинамидные коферменты обозначают как NAD⁺ и NADP⁺, так как они несут положительный заряд на атоме азота пиридинового кольца. В реакциях дегидрирования из двух атомов водорода, отщепляемых от окисляемого субстрата, никотинамидное кольцо присоединяет ион водорода и два электрона в форме гидрид-иона (:Н^-). Второй ион переходит в среду. В обратной реакции NADH (NADPH) выступают в качестве доноров электронов и протонов

Большинство дегидрогеназ, поставляющих электроны в ЦПЭ, содержат NAD⁺. Они катализируют реакции типа:

R-CHOH-R_i + NAD⁺ ↔ R-CO-R₁i + NADH + Н⁺.

Таким образом, NAD⁺, присоединяя протоны и электроны от различных субстратов, служит главным коллектором энергии окисляемых веществ и главным источником электронов, обладающих высоким энергетическим потенциалом, для ЦПЭ.

NADPH не является непосредственным донором электронов в ЦПЭ, а используется почти исключительно в восстановительных биосинтезах (см. раздел 8). Однако возможно включение электронов с NADPH в ЦПЭ благодаря действию пиридиннуклеотид трансгидрогеназы, катализирующей реакцию:

NADPH + NAD⁺ ↔ NADP⁺ + NADH.

Флавиновые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов FAD или FMN. Эти коферменты образуются в организме человека из витамина В2 (см. раздел 2). Флавиновые коферменты прочно связаны с апоферментами. Рабочей частью FAD и FMN служит изоаллоксазиновая сопряжённая циклическая система (рис. 6-6).

Рис. 6-6. Структурные формулы рабочей части коферментов FAD и FMN. В ходе реакции FAD и FMN присоединяют 2 электрона и, в отличие от NAD⁺, оба теряемых субстратом протона

FAD служит акцептором электронов от многих субстратов в реакциях типа:

R-CH₂-CH₂-R_i + Е (FAD) ↔ R-CH=CH-R_i + Е (FADH₂),

где Е — белковая часть фермента.

Большинство FAD-зависимых дегидрогеназ — растворимые белки, локализованные в матриксе митохондрий. Исключение составляет сукцинат-дегидрогеназа, находящаяся во внутренней мембране митохондрий. К FMN-содержащим ферментам принадлежит NADН-дегидрогеназа, которая также локализована во внутренней мембране митохондрий; она окисляет NADH, образующийся в митохондриальном матриксе.

2. Цепь переноса электронов от NADH и FADH₂ на кислород

Перенос электронов от NADH к O₂ включает ряд переносчиков, которые локализованы во внутренней мембране митохондрий. За исключением убихинона и цитохрома С, это сложные белковые комплексы.

NADH-дегидрогеназа (NADH-Q-редуктаза, комплекс I) состоит из нескольких полипептидных цепей. Роль простетической группы играет FMN. Единственный субстрат фермента — NADH, с которого 2 электрона и протон переносятся на FMN с образованием FMNH₂. Второй протон поглощается из матрикса. Реакция протекает по уравнению:

NADH + Н⁺ + Е (FMN) ⇒ NAD⁺ + Е (FMNH₂)

С FMNH₂ электроны переносятся затем на ряд железо-серных белков (FeS), играющих роль второй простетической группы в молекуле NADH-дегидрогеназы. Атомы железа в этих белках (негемовое железо) собраны в несколько групп, так называемых железо-серных центров. FeS-центры входят в состав многих белков (флавопротеинов, цитохромов), участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. Известны 3 типа FeS-центров (FeS, Fe₂S₂, Fe₄S₄), в которых атом железа связан с атомом серы остатков цистеина или неорганической серы. Строение железо-серных центров показано на рис. 6-7.

Рис. 6-7. Строение железо-серных центров. I — FeS-центр; атом железа связан координационными связями с четырьмя атомами серы, принадлежащими четырём остаткам цистеина в белке. II — Fe₂S₂-центр; каждый из двух атомов железа связан координационными связями с двумя атомами неорганической серы и двумя остатками цистеина в белке; III — Fe₄S₄-центр; четыре атома железа связаны с четырьмя атомами серы и четырьмя остатками цистеина в белке. Атомы железа в FeS-центрах могут находиться в окисленном (Fe³⁺) или восстановленном (Fe²⁺) состоянии

NADН-дегидрогеназа содержит несколько центров типа Fe₂S₂ и Fe₄S₄ Атомы железа в таких центрах могут принимать и отдавать электроны поочерёдно, переходя в ферро- (Fe²⁺) и ферри- (Fe³⁺) состояния. От железо-серных центров электроны переносятся на кофермент Q (убихинон) (рис. 6-8).

Рис. 6-8. Структура убихинона (кофермента Q). п — число изопреноидных звеньев. Убихинон может принимать один электрон и превращаться в семихинон или 2 электрона и полностью восстанавливаться в гидрохинон (убихинол)

Обозначение этого жирорастворимого хинона происходит от первой буквы английского названия хинона (quinone), а название убихинон отражает его широкую распространённость в природе (ubiquitous — вездесущий). Молекулы убихинона в зависимости от источника, из которого они выделены, различаются длиной углеводородной цепи, которая у млекопитающих содержит 10 изопреноидных звеньев и обозначается как Q₁₀. В процессе переноса электронов с NADH-дегидрогеназы через FeS на убихинон он обратимо превращается в гидрохинон. Убихинон выполняет коллекторную функцию, присоединяя электроны от NADH-дегидрогеназы и других флавинза-висимых дегидрогеназ, в частности, от сукцинат-дегидрогеназы. Убихинон участвует в реакциях типа:

Е (FMNH₂) + Q Е (FMN) + QH₂.

Цитохромы или гемопротеины присутствуют во всех типах организмов. В клетках эукариотов они локализованы в митохондриальных мембранах и в ЭР. Известно около 30 различных цитохромов. Все цитохромы в качестве простетической группы содержат гем (см. раздел 1). Их многообразие обусловлено:

• различием боковых цепей в структуре гема;
• различием в структуре полипептидных цепей;
• различием в способе связи полипептидных цепей с гемом.

В зависимости от способности поглощать свет в определённой части спектра все цитохромы делят на группы а, Ь, с. Внутри каждой группы отдельные виды с уникальными спектральными свойствами обозначают цифровыми индексами (Ь, Ь₁, b₂ и т.д.).

Структурные особенности разных видов цитохромов определяют различие в их окислительно-восстановительных потенциалах. В ЦПЭ участвуют 5 типов цитохромов (а, а₃, Ь, с, с₁). За исключением цитохрома с, все цитохромы находятся во внутренней мембране митохондрий в виде сложных белковых комплексов (табл. 6-4).

Таблица 6-4.
Компоненты митохондриальной цепи переноса электронов

QH₂-дегидрогеназа (коэнзим Q-цитохром с-редуктаза, комплекс III) состоит из 2 типов цитохромов (Ь₁ и Ь₂) и цитохрома с₁. QН₂-дегидрогеназа переносит электроны от убихинола на цитохром с. Внутри комплекса III электроны передаются от цитохромов b на FeS-центры, на цитохром с₁ а затем на цитохром с. Группы гема, подобно FeS-центрам, переносят только по одному электрону. Таким образом, от молекулы QH₂ 2 электрона переносятся на 2 молекулы цитохрома Ь. В качестве промежуточного продукта в этих реакциях переноса электронов возможно образование свободного радикала се-михинона. В цитохромах типа b гем не связан ковалентно с белком, а в цитохромах с₁ и с он присоединяется к белку при помощи тиоэфирных связей (рис. 6-9). Эти связи образуются путём присоединения 2 цистеиновых остатков к винильным группам гема.

Рис. 6-9. Структура гема цитохромов Ь, с, с₁

Цитохром с — периферический водорастворимый мембранный белок с молекулярной массой 12 500 Д, имеющий одну полипептидную цепь из 100 аминокислотных остатков, и молекулу гема, ковалентно связанную с полипептидом.

Цитохромоксидаза (комплекс IV) состоит из 2 цитохромов типа аа₃ каждый из которых имеет центр связывания с кислородом. Цитохромы а и а₃ имеют характерную железопорфириновую простетическую группу, называемую гемом А и отличающуюся от гема цитохромов с и с₁ (рис. 6-10). Он содержит формильную группу вместо одной из метальных групп и углеводородную цепь вместо одной из винильных групп.

Рис. 6-10. Строение гема А

Другая особенность комплекса а-а₃ — наличие в нём ионов меди, связанных с белковой частью в так называемых CuA-центрах. Перенос электронов комплексом а-а3 включает реакции:

Сu⁺ ↔ Сu²⁺ + е,
Fe²⁺ ↔ Fe³⁺ + е.

Комплекс цитохромов а-а₃ непосредственно реагирует с молекулярным кислородом. Некоторые характеристики компонентов ЦПЭ приведены в табл. 6-4.