Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции в ходе биологического окисления.

Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции относятся к классу оксидоредуктаз. Окидоредуктазы – I класс ферментов, относящиеся к сложным белкам, т.к. являются двухкомпонентными молекулами, коферментами которых являются моно- и динуклеотиды (производные витаминов РР и В₂ – НАД⁺, НАДФ⁺, ФАД, ФМН), производные протопорфиринов (гем), хиноны, ионы металлов, дигидробиоптерин. Коферменты всех оксидоредуктаз играют роль промежуточных акцепторов электронов. Оксидоредуктаза с восстановленным коферментом не может участвовать в катализе реакции до тех пор, пока электроны ее кофермента не будут переданы на конечный акцептор. Отношение восстановленный кофермент/окисленный кофермент является важным фактором, регулирующим окислительно-восстановительные реакции в клетке. В зависимости от типа конечного акцептора все окислительно-восстановительные реакции можно разделить на аэробные (конечный акцептор кислород) и анаэробные (конечный акцептор не кислород, а др. соединения). По способу передачи электронов, которым пользуются оксидоредуктазы, различают:

· дегидрогеназы – катализируют реакции дегидрирования (отщепления водорода);

· оксидазы – катализируют реакции присоединения электронов к кислороду;

· оксигеназы (гидроксилазы) – катализируют внедрение атома кислорода по С-Н связи субстрата (создание гидроксильной группы);

· гидропероксидазы – способствуют образованию перекиси водорода в фагоцитарных и др. клетках.

НАД⁺ и НАДФ⁺ представляют собой коферменты большого числа дегидрогеназ; связь между ними и апоферментом непрочная, и они ассоциируют между собой только в момент реакции. Дегидрогеназы данного типа катализируют перенос гидрид-иона (второй протон остается в среде). В присутствии восстановленного субстрата (DH₂) – донора электронов и соответствующей дегидрогеназы пиридиновое кольцо восстанавливается путем связывания в четвёртом положении одного протона (гидрид-иона) и двух электронов, второй протон остаётся в среде:

 

  

 

 

НАД⁺-зависимые дегидрогеназы локализованы в основном в матриксе митохондрий. Их окисление осуществляется I комплексом дыхательной цепи (см. ниже) – НАДН:КоQ – оксидоредуктазой.

НАДФ⁺-зависимые дегидрогеназы – это преимущественно цитоплазматические ферменты, и их восстановленные формы являются донорами восстановительных эквивалентов в реакциях биосинтеза.

Таким образом, незначительные различия в структуре НАД⁺ и НАДФ⁺ (НАД⁺ построен из двух мононуклеотидов, один из которых – адениловая кислота, а во второй входят остатки никотинамида (витамина РР), рибозы и фосфата; в молекуле НАДФ⁺ имеется дополнительная фосфатная группа, присоединенная к С2ʹ атому рибозы адениловой кислоты кофермента) не отражаются на механизме их участия в переносе электронов, но придают им разные функции в клетке:

· восстановленная форма НАДН•Н⁺ поставляет электроны в реакции, обеспечивающие образование макроэргов;

· НАДФН•Н⁺ - для анаболических процессов (восстановительные синтезы) или для реакции обезвреживания ксенобиотиков и активных форм кислорода.

ФМН и ФАД обладают способностью передавать электроны прямо на кислород. Такие дегидрогеназы получили название оксидаз. Коферменты прочно связаны с апоферментом, выступая в роли простетической группы, а не свободно диссоциирующих коферментов. Обе группы представляют собой метаболически активную форму рибофлавина (витамина В₂). В отличие от НАД⁺/НАДФ⁺ - зависимых дегидрогеназ (которые одновременно переносят два электрона), коферменты флавиновых дегидрогеназ могут переносить и по одному, и по два электрона. Принимая один электрон, связанный с ферментом ФМН, превращается в радикал семихинона, который может присоединять второй электрон с образованием полностью восстановленной формы ФМНН₂. Способность принимать один или два электрона придает флавинзависимым дегидрогеназам важное качество: они могут связывать между собой переносчиков двух электронов (НАДФН•Н⁺) с одноэлектронными переносчиками (например, Fe³⁺, входящими в состав железо-серных белков дыхательной цепи):

 

a) НАДН•Н⁺ + ФМН → НАД⁺ + ФМНН₂;

b) ФМНН₂ + Fe³⁺ → ФМНН^• + Fe²⁺ + Н⁺, после того, как Fe²⁺ окислится следующим акцептором, ФМН передаст ему фторой электрон:

ФМНН^• + Fe³⁺ → ФМН + Fe²⁺+ Н⁺.

 

Итак, флавинзависимые дегидрогеназы, в отличие от никотинзависимых, обладают способностью непосредственно передавать электроны прямо на кислород (поэтому являются оксидазами). Результатом передачи является образование перекиси водорода (Н₂О₂).

 

Хиноны (коэнзим Q, убихинон).

Коэнзим Q (КоQ) – это небольшая молекула, производное бензохинона с длинной боковой цепь, которая в большинстве тканей млекопитающих и человека состоит из 10 изопреновых единиц (КоQ₁₀). Установлено, что убихинон играет роль промежуточного переносчика водородных атомов, т.е. электронов и протонов в митохондриальной мембране от I и II комплексов дыхательной цепи, окисляя восстановленную форму флавиновых ферментов, а также способен захватывать протоны из матрикса, превращаясь в восстановленную форму КоQН₂. Он может передвигаться в липидной фазе мембраны (продольно и латерально) и передавать 1 е^- или 2 е^- к другим ферментам дыхательной цепи, получивших название цитохромов, а протоны высвобождаются в межмембранное пространство митохондрий.

 

Запомните!

До Ко Q был 2-х электронный перенос, после Ко Q – одноэлектронный.

 

Как всякий хинон КоQ может существовать в окисленной и восстановленной формах (гидрохинон):

Цитохромы.

В 1925 г. Кейлиным была открыта ещё одна группа переносчиков электронов – цитохромы. Это электронпереносящие белки-фермены, молекула которых содержит гем и гемоподобные структуры в качестве простетической группы. В отличие от дегидрогеназ, они переносят по одному электрону. Исполнительным элементом в цитохромах является атом железа, способный менять свою валентность:

 

Цитохромы относятся к одноэлектронным окислительно-восстановительным соединениям. Они не могут принимать или отдавать водород, поэтому их называют переносчиками электронов. Известно около 30 различных цитохромов, которые в зависимости от способности поглощать свет разделяются на группы, обозначаемыми строчными английскими буквами (a, b, c и т.д.). внутри каждой группы отдельные виды цитохромов обозначаются цифровыми индексами – b ₁, b ₂, b ₅ и т.д.

Цитохромы различаются:

1. по радикалам в порфириновом кольце;

2. по строению апофермента;

3. по типу связи просетической группы с апоферментом.

Цитохромы располагаются в митохондриальной цепи между убихиноном и кислородлом в определенной последовательности:

b → c ₁ → c → aa ₃

Цитохромы b, c ₁ и c выполняют функцию промежуточных переносчиков электронов, а комплекс цитохромов aa ₃, который называется цитохромоксидазой, является терминальным дыхательным ферментом, непосредственно взаимодействующий с кислородом. В цитохроме a простетическая группа через пятую координационную связь железа соединяется с аминогруппой аминосахара, входящего в апофермент, а шестая координационная связь остается свободной. При переносе электрона валентность атома железа меняется: Fe³⁺ ↔ Fe²⁺. К шестой координационной связи железа цитохрома a могут присоединяться такие группировки атомов, как HCN, H₂S, CO. При этом валентность железа становится постоянной (Fe³⁺) и поток электронов прекращается. На этом основан механизм действия дыхательных ядов.

Цитохромоксидза (комплекс aa ₃) состоит из 6 субъединиц (2 –и 4 - a ₃). В цитохроме a ₃ имеются атомы меди (Cu²⁺). Электроны принимаются субъединицами a и передаются цитохрому a ₃, который передает их далее на кислород. Перенос электронов комплексом aa ₃ включает следующие реакции:

 

Окисленная форма цитохрома a (Fe³⁺) принимает электроны от восстановленного цитохрома c, переходя в восстановленную форму (Fe²⁺), которая затем вновь окисляется в Fe³⁺ передавая электроны на атомы Cu²⁺ цитохрома a ₃. Этот процесс также сопровождается изменением валентности меди. Атом кислорода, локализованный в углублении цитохрома a ₃ с матричной стороны, заряжается отрицательно и приобретает способность взаимодействовать с 2-мя протонами водорода из матрикса, в результате чего образуется молекула воды.

 

Fe-S белки.

Кроме железа, входящего в состав цитохромов, в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих на внутренней мембране митохондрий при помощи ферментов ЦПЭ, принимают участие еще одна группа белков, получивших название железо-серных белков (или комплексов). Они входят в состав I, II и III комплексов дыхательной цепи (см.ниже), выполняя роль второй простетической группы в процессе транспорта электронов. Их основная функция – «ловушка электронов». Железо в их составе – негемовое (негеминовые), поэтому их назвали негемовыми железопротеинами.

 

Атомы железа связаны координационными связями с 4-мя атомами серы 4-х цистеиновых остатков в белке (S^2-).

 

 

 

Эти белки играют важную роль в соединении 2-х электронных переносчиков с 1-о электронными в ЦПЭ.

Перечисленные выше белки и ферменты (кроме цитохромоксидазы) используют три из четырех механизмов переноса электронов:

1. перенос электронов (цитохромы и FeS – белки);

2. перенос электронов в составе гидрид-ионов (НАД⁺ - зависимые дегидрогеназы);

3. перенос электронов в составе атомов водорода (ФМН, ФАД-зависимые дегидрогеназы).

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Биологическое окисление – процесс окисления протонов водорода молекулярным кислородом с образованием эндогенной воды.

В настоящее время биологическое окисление определяется как совокупность реакций окисления и восстановления. Вещество окисляется если теряет электроны (е^-), или одновременно электроны и протоны, или присоединяет кислород. Противоположный процесс называется восстановлением. Субстраты окисления, отдающие электроны, называются донорами электронов. Электроны, при участии промежуточных переносчиков (ферментативных комплексов, локализованных на внутренней мембране митохондрий), передаются на кислород – конечный (терминальный) акцептор электронов у аэробных организмов. Одновременно с процессами отщепления электронов от субстратов и присоединения их к кислороду в биологических системах происходит образование (синтез) молекул АТФ. Данный процесс, также, локализован в митохондриях, на внутренней мембране, но в грибовидных выростах, где имеется специфический для данной реакции фермент – АТФ-синтаза.

Т.о., процессы биологического окисления тесно связаны с процессами окислительного фосфорилирования (в результате которых синтезируются молекулы АТФ).

 

Известны четыре основных механизма биологического окисления:

1. дегидрирование субстратов – путем отнятия двух атомов водорода;

2. дегидрирование субстратов – путем отнятия гидрид-иона (:Н^-), с высвобождением свободных протонов;

3. путем присоединения кислорода к субстратам окисления;

4. путем отнятия только электронов.

Способность молекул отдавать электроны другой молекуле определяется окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП или редокс - потенциалом). Редокс - потенциал определяют путем измерения электродвижущей силы в вольтах. В качестве стандарта принят редокс-потенциал водорода:

Н₂     2Н⁺ + 2е^-;

ОВП = -0,42В

Запомните!

ü Чем меньше потенциал окислительно-восстановительной системы, тем легче она отдает электроны и в большей степени является восстановителем.

ü Чем выше потенциал окислительно-восстановительной системы, тем сильнее выражены ее окислительные свойства, т.е. способность принимать электроны присуща только молекулам с более высоким редокс-потенциалом.

Это правило лежит в основе последовательности расположения ферментативных систем цепи переноса электронов – промежуточных переносчиков электронов от протонов водорода до кислорода.

 

 

 

Т.о., транспорт высокоэнергетических электронов восстановленных субстратов происходит в сложной системе, состоящей из окислительно-восстановительных ферментов и коферментов, локализованных на внутренней мембране митохондрий. Ферменты переноса протонов и электронов относятся к классу оксидоредуктаз. Фермент, участвующий в процессах синтеза АТФ – к классу синтаз (АТФ-синтаза).

В митохондриях поток электронов устремляется от субстрата, содержащего водород, к молекулярному кислороду. Реакция соединения водорода с кислородом протекает со взрывом («гремучий газ»), т.к. сопровождается выделением большого количества тепла (энергии) – до 239 кДж/моль. В этой реакции водород отдает свои электроны (окисляется), а кислород присоединяет электроны (восстанавливается).

Однако в клетках живого организма эта реакция протекает без взрыва (иначе сам процесс существования живой системы был бы невозможен). Почему? Потому что происходит поэтапное выделение энергии в межмембранное пространство митохондрий, где скапливаются протоны водорода, несущие заряд (+).

Поэтому, биологическое окисление отличается от реакции образования гремучего газа следующими характеристиками:

1) постепенным выделением энергии;

2) окисляется не молекулярный водород, а водород, включенный в состав субстратов (SH₂);

3) энергия высвобождается не только в идее тепла, но и аккумулируется в виде электрохимического потенциала и АТФ.

Реакция образования воды протекает не одномоментно, она состоит из большого числа связанных друг с другом реакций, составляющих реакционную цепь. Эта цепь начинается с отрыва водорода субстрата и заканчивается переходом электронов на кислород, поступающий с вдыхаемым воздухом, а переносчиками электронов и протонов водорода являются ферменты дыхательной цепи – оксидоредуктазы.