Оксидази зі змішаною функцією, оксигенази та цитохром р-450

У цьому розділі ми зустрілись з декількома ензимами, що каталізують окисно-відновні реакції, учасником яких є молекулярний кисень. Саме такою є реакція введення подвійного зв’язку в ацильний ланцюг жирної кислоти ( див. Рис. 21-13).

Номенклатура ензимів, які каталізують реакції цього типу, як і сам їхній механізм, часто залишаються незрозумілими для студентів. Оксидази – це загальна назва ензимів, що каталізують реакції окиснення, у яких акцептором електронів є молекулярний кисень, однак атоми кисню не виявляються у складі окисненого продукту (але з цього “правила”, як ми побачимо далі, існують винятки!). До оксидазаз такого типу належать, наприклад, ензим, що вводить подвійний зв’язок у молекулу ацил-CoA під час окиснення жирних кислот у пероксисомах ( див. рис. 17-13), а також цитохромоксидаза електронотранспортного ланцюга мітохондрій ( див. рис. 19 – 14). У першому випадку два електрони переносяться на молекулу Н₂О з утворенням пероксиду водню, Н₂О₂, а у другому - два електрони відновлюють ½ О₂ до Н₂О. Багато, але не всі оксидази, є флавопротеїнами.

Оксигенази каталізують реакції окиснення, у ході яких атоми кисню безпосередньо включаються до складу молекули субстрату з утворенням, наприклад, нової гідроксильної або карбоксильної групи. Діоксигенази каталізують реакції, в яких до складу молекули органічного субстрату включаються обидва атоми молекулярного кисню. Прикладом діоксигенази є триптофан-2,3-діоксигеназа, що каталізує розкриття п’ятичленного кільця триптофану у ході його катаболізму. Якщо ця реакція протікає за наявності ¹⁸О₂, то мічені атоми кисню виявляються у складі двох карбонільних груп продукту (позначено червоним кольором).

Триптофан триптофан- 2,3-діоксигеназа N-формілкінуренін

Б

Більш поширеними є монооксигенази, які діють за складнішим механізмом. Ці ензими каталізують реакції, у ході яких лише один з двох атомів молекули О₂ включається до складу органічного субстрату, тоді як інший атом відновлюється до Н₂О. Монооксигенази потребують наявності двох субстратів, що виконують роль відновників двох атомів кисню у складі молекули О₂. Акцептором одного з двох атомів кисню є основний субстрат, тоді як косубстрат постачає атоми водню для відновлення другого атома кисню до Н₂О. Загальне рівняння монооксигеназної реакції має такий вигляд:

АН + ВН₂ + О–О  А-ОН + В + Н₂О

де АН – основний субстрат, а ВН₂ – косубстрат. Оскільки більшість монооксигеназ каталізують реакції, у яких основний субстрат зазнає гідроксилювання, то ці ензими також називають гідроксилазами. Оскільки монооксигенази одночасно окиснюють два різні субстрати, то їх інколи називають також оксидазами зі змішаною функцією або оксигеназами зі змішаною функцією ( зверніть увагу, що у цьому випадку термін “оксидаза” не відповідає своєму основному значенню).

Залежно від природи косубстрату монооксигенази поділяють на різні класи. Одні монооксигенази використовують як косубстрат відновлені флавінові нуклеотиди ( FMNН₂ чи FADН₂), інші - NADН чи NADPН, ще інші - -кетоглутарат. Ензим, що гідроксилює фенільне кільце фенілаланіну з утворенням тирозину, – це монооксигеназа, косубстратом якої є тетрагідробіоптерин ( див. рис. 18 –23). Внаслідок генетичного дефекту цього ензиму у людини розвивається захворювання фенілкетонурія.

До найчисленніших і найскладніших монооксигеназних реакцій належать реакції, що протікають за участі гемопротеїну цитохрому Р-450. Як правило, цей цитохром локалізований у гладкому ендоплазматичному ретикулумі, а не у мітохондріях. Цитохром Р-450, так само, як і мітохондріальна цитохромоксидаза, взаємодіє з О₂ та зв’язує монооксид вуглецю, проте його можна легко відрізнити від цитохромоксидази, тому що у відновленій формі він утворює з монооксидом вуглецю комплекс, який інтенсивно поглинає світло при 450 нм, звідси і походить назва цього ензиму.

Цитохром Р-450 каталізує реакції гідроксилювання, у ході яких органічний субстрат RH приєднує один з атомів О₂ і перетворюється на R-ОH; інший атом кисню відновлюються до Н₂О, необхідні для цього відновлювальні еквіваленти надходять від NADН, або NADPН на залізо-сірковмісний протеїн, а потім на цитохром Р-450. На рис. 1 наведено спрощену схему дії цитохрому Р-450, проміжні етапи якої остаточно не з’ясовано.

Цитохром Р-450 – це насправді ціла родина подібних протеїнів; відомо декілька сотень членів цієї родини, що відрізняються за субстратною специфічністю. Наприклад, у корі наднирників міститься специфічний цитохром Р-450, який бере участь у гідроксилюванні стероїдів з утворенням адренокортикальних гормонів ( Рис. 21 – 47). Важливою є роль цитохрома Р-450 у гідроксилюванні різних ліків, зокрема барбітуратів, а також інших ксенобіотиків (сполук, що не входять до складу організму), особливо якщо ці речовини гідрофобні і відносно нерозчинні. Здійснюване цитохромом Р-450 гідроксилювання канцерогенного забруднювача довкілля бензпірену (наявного у цигарковому димі) є необхідним етапом його детоксикації. Гідроксильовані ксенобіотики краще розчиняються у воді і виводяться з організму з сечею. На жаль, деякі сполуки внаслідок гідроксилювання перетворюються на токсичні речовини, які руйнують клітинну систему детоксикації.

Описані у цьому розділі реакції, що їх каталізують саме оксидази зі змішаною функцією, відіграють важливу роль у таких процесах, як десатурація ацил-CoA ( Рис. 21 - 13), синтез лейкотрієнів ( Рис. 21 – 16), плазмалогенів ( Рис. 21 – 30), перетворення сквалену на холестерол ( Рис. 21 – 37) та синтез стероїдних гормонів ( Рис. 21 – 47).

Рис. 1

NADPН Окиснений цитохром-Р-450-редуктаза (Fe-S) Відновлений

NADP⁺ цитохром Р-450 Відновлений Окиснений

Десатурацію жирних кислот здійснює оксидаза зі змішаною функцією

Пальмітат та стеарат є попередниками двох найрозповсюдженіших у тваринних тканинах мононенасичених жирних кислот - пальмітолеату, 16:1 (⁹) та олеату, 18:1 (⁹); обидві жирні кислоти містять один цис-подвійний зв’язок між атомами С-9 та С-10 (див. Табл. 10-1). Подвійний зв’язок у ланцюзі жирної кислоти виникає внаслідок реакції окиснення, яку каталізує ацил-CoA-десатураза ( Рис. 21-13), що належить до оксидаз зі змішаною функцією ( Додаток 21-1). Цей ензим здійснює одночасне двоелектронне окиснення двох різних субстратів – жирної кислоти та NADН чи NADРН. Електрони переносяться через цитохром ( цитохром b₅) та флавопротеїн (цитохром-b₅-редуктазу), які, так само як і ацил-CoA-десатураза, локалізовані у гладкому ЕР. У бактерій виявлено дві форми цитохром-b₅–редуктази, одна з яких NADН-залежна, а інша NADРН-залежна; однак залишається невідомим, яка з них є основним донором електронів in vivo. У рослин олеат утворюється у стромі хлоропластів під дією стеароїл-АПП-десатурази, яка у якості донора електронів використовує відновлений фередоксин.

У гепатоцитах ссавців легко утворюються подвійні зв’язки у положенні ⁹ жирної кислоти, але не між С-10 та кінцевою метильною групою. Тому ссавці не здатні синтезувати лінолеат, 18:2(^9,12), та -лінолеат, 18:3(^9,12,15). Рослини, однак, синтезують ці жирні кислоти; десатурази, які вводять подвійні зв’язки у положення ¹² та ¹⁵, локалізовані в ЕР та хлоропластах. Субстратом десатураз ЕР є не вільні жирні кислоти, а фосфоліпід фосфатидилхолін, що містить принаймні один зв’язаний з гліцеролом залишок олеату ( Рис. 21 – 14). Як рослини, так і бактерії змушені синтезувати поліненасичені жирні кислоти для того, щоб підтримувати плинність мембран у разі зниження температури.

Лінолеат та ліноленат необхідні як попередники для синтезу інших важливих сполук, а тому в організмі ссавців вони належать до незамінних жирних кислот і повинні надходити з рослинною їжею. Поглинена лінолева кислота може перетворюватися на інші поліненасичені жирні кислоти, зокрема, -ліноленат, ейкозатріеноат та арахідонат (ейкозатетраеноат). Усі ці жирні кислоти утворюються лише з лінолеату ( Рис. 21 – 12). Арахідонат 20:4(^5,8,11,14) є незамінним попередником у біосинтезі таких регуляторних ліпідів, як ейкозаноїди. 20-вуглецеві жирні кислоти синтезуються з лінолеату (або ліноленату) у реакціях елонгації, що є аналогічними до описаних на с. …….