Современные представления о структуре элементов

Дыхательной цепи

 

В переносе электронов от субстрата к молекулярному кислороду принимают участие:

1. Коферменты на основе витамина В₅ (РР) - пиридинзависимые дегидрогеназы, для которых коферментами служат либо НАД, либо НАДФ;

2. Коферменты на основе витамина В₂ - флавиновые дегидрогеназы (флавиновые ферменты), у которых роль простетической группы играют ФАД или ФМН;

3. Убихинон (коэнзим Q);

4. Цитохромы, содержащие в качестве простетической группы железопорфириновую кольцевую систему. Среди компонентов дыхательной цепи обнаружены также и железосерные белки (FeS), содержащие негеминовое железо.

5.2.1. Характеристика коферментов на основе витамина В₅ (РР)

 

Витамин B₅ является компонентом коферментов. Функции витамина в организме человека выполняют никотиновая кислота и ее амид. Ниацин в организме используется для образования никотинамидных коферментов. Их представителями являются никотинамид-аденин-динуклеотид (НАД⁺, NAD⁺) и никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфат (НАДФ⁺, NADP⁺). Эти коферменты образуют специфические, каталитически активные комплексы с многочисленными (более 200) дегидрогеназами. Холоферменты участвуют в осуществлении окислительно-восстановительных реакций метаболизма.

В частности, эти комплексы:

1. Облегчают реакции окисления одного субстрата за счет восстановления другого. Эти реакции особенно важны для осуществления окислительных процессов в отсутствии кислорода. Примером подобных реакций может служить обратимое окисление молочной кислоты до пировиноградной, которую катализирует фермент лактатдегидрогеназа (ЛДГ):

НООC-CН(ОН)-CH₃ НООC-C(О)-CH₃

молочная к-та НАД⁺ НАДН∙Н⁺ ПВК

 

Схема 1. Участие кофермента НАД⁺ в обратимом окислении молочной кислоты в составе фермента лактатдегидрогеназы

2. Обеспечивают функцию компонентов дыхательной цепи, транспортируя электроны (водород) от субстрата на кислород.

 

Схема 2. Химическое строение никотинамида

 

Схема 3. Химическое строение никотиновой кислоты

Помимо окислительно-восстановительных реакций, лежащих в основе энергетического обмена, ниацин участвует в ряде других, не окислительно-восстановительных реакций. В частности доказано, что эти реакции сопровождают передачу информации от клетки к клетке, транскрипцию ДНК, синтез хроматина, дифференциацию клеток и многие другие жизненные процессы. Поступает с пищей, синтезируется в организме из триптофана. Участвует в процессах тканевого дыхания, углеводном, белковом и липидном обмене, оказывает нормализующее влияние на уровень холестерина. Обладает выраженным свойством расширять периферические сосуды

 

Схема 4. Химическая структура кофермента НАД⁺ В рамке показана восстановленная форма активного центра кофермента (НАДН·Н⁺).

Стрелкой показано расположение фосфатной группы в молекуле НАДФ.

Суточная потребность в витамине В ₅ (РР) – 15-25 мг. Повышается при физической нагрузке, лактации, низкой температуре, в высокогорье, а также при инфекционных заболеваниях, поражениях желудочно-кишечного тракта и нарушении всасывания. В организме возможен синтез никотиновой кислоты из аминокислоты триптофана. При этом из одной из 50 молекул триптофана образуется одна молекула никотиновой кислоты. Недостаток триптофана в пище резко усугубляет симптомы гиповитаминоза никотиновой кислоты при его наличии.

Контрольные вопросы

1. В какие реакциях в организме принимает участие ниацин?

2. Сколько составляет суточная потребность в витамине В ₅?

5.2.2. Характеристика коферментов на основе витамина В₂

Относится к группе животных пигментов – флавонов. Рибофлавин хорошо растворим в воде, устойчив в кислых растворах, но легко разрушается в нейтральных и щелочных растворах. Весьма чувствителен к УФ-излучению и сравнительно легко подвергается обратимому восстановлению, присоединяя водород по месту двойных связей и превращается в бесцветную лейкоформу. Это свойство рибофлавина легко окисляться и восстанавливаться лежит в основе его биологического действия в клеточном метаболизме. Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, влияя на обмен веществ всего организма.

Витамин B₂ интенсифицирует процессы обмена веществ в организме, участвуя в метаболизме белков, жиров и углеводов. Рибофлавин необходим для образования красных кровяных телец и антител, для дыхания клеток и роста. Он облегчает поглощение кислорода клетками кожи, ногтей и волос. Он улучшает состояние органа зрения, принимая, наряду с витамином A, участие в процессах темновой адаптации, снижает усталость глаз и играет большую роль в предотвращении катаракты. Витамин B₂ оказывает положительное воздействие на слизистые оболочки пищеварительного тракта. Рибофлавин входит в состав флавиновых коферментов, в частности ФМН (флавиномононуклеотид) и ФАД (флавиноадениндинуклеотид).

 

6,7-Диметил-9-(D-1-рибитил)-изоаллоксазин

Схема 5. Химическое строение рибофлавина

 

Различают 2 типа реакций с участием этих коферментов:

1. Фермент осуществляет прямое окисление с участием кислорода, т.е. дегидрирование (отщепление электронов и протонов) исходного субстрата или промежуточного метаболита. К ферментам этой группы относятся оксидазы L- и D-аминокислот, ацил-КоА-дегидрогеназа, глициноксидаза и др.

ФМН

Схема 6. Химическое строение окисленной формы кофермента ФАД (ФМН). (цифрами 1 и 5 показаны места присоединения водорода в окислительно-восстановительных реакциях с образованием восстановленной формы кофермента ФАДН₂)

 

В качестве примера можно привести следующую схему окисления с участием ФАД:

 

(суб. восс.ф.) (суб. окис.ф.)

R-CH₂-CH₂-COOH R-CH=CH-COOH

ФАД ФАДН₂

Схема 7. Участие кофермента ФАД в окислении карбоновых кислот

2. Характеризуется переносом электронов и протонов в системе биологического окисления.

ФМН и ФАД прочно связываются с белковым компонентом молекулы фермента, иногда ковалентно, как в молекуле сукцинатдегидрогеназы. В составе дыхательной цепи ФМН в качестве кофермента входит в состав НАД·Н-дегидрогеназы, которая акцептирует водород, отщепляемый от НАДН·Н⁺. Молекулярная масса НАД·Н-дегидрогеназы около 10⁶. Этот флавиновый фермент тесно связан с железосерным белком, участвующим передаче электронов на коэнзим Q. НАД·Н-дегидрогеназа пересекает поперек внутреннюю мембрану митохондрий, находясь в окружении липидов. Активный центр ее обращен к внутренней поверхности этой мембраны, т.е. к матриксу.

Суточная потребность в витамине В₂ – 2-3 мг. Возрастает при физической нагрузке, лактации, высокой калорийности пищи с большим содержанием белка, при употреблении больших количеств никотиновой кислоты.

Контрольные вопросы

1. Какие функции в организме выполняет рибофлавин?

2. В состав каких коферментов входит рибофлавин?

3. Какие реакции в организме протекают с участием этих коферментов?

4. Сколько составляет суточная потребность в витамине В₂?