Казимирский А.Н. - Биоокисление

Окисление оксидазного типа. Ферменты - оксидазы. По строению являются металлофлавопротеинами. Содержат металлы с переменной степенью окисления — железо(Fe), медь(Cu), молибден(Mo). Находятся оксидазы в пероксисомах — особых образованиях эндоплазматического ретикулума, а также в наружной мембране митохондрий. Они отнимают водород от субстрата и передают его на кислород с образованием Н2О2 — пероксида водо-

рода. Оксидаз в клетке немного, и субстратов для них тоже мало. Эти

ферменты обычно обладают широкой субстратной специфичностью и невысокой активностью.

1.Моноаминоксидазы (МАО) — окисляют гормон адреналин и некоторые биогенные амины.

2.Диаминоксидазы (ДАО) — окисляют гистамин и другие диамины и полиамины.

3.Оксидаза L-аминокислот.

4.Оксидаза D-аминокислот.

5.Ксантиноксидаза — окисляет пуриновые азотистые основания (аденин и гуанин) с участием воды

Биологическое значение окисления по оксидазному типу

1. Окисляются трудноокисляемые циклические вещества;

2.Быстрая инактивация БАВ - биологически активных веществ;

3.Образующаяся Н2О2 оказывает бактерицидное действие — разрушает клеточные мембраны фагоцитированных бактериальных клеток.

Окисление оксигеназного типа. Происходит на мембранах эндоплазматического ретикулума и во внутренней мембране митохондрий. Ферменты — оксигеназы. Оксигеназы работают в составе мультиферментного комплекса, встроенного в мембрану. Они активируют молекулу кислорода, а затем внедряют один или два атома кислорода в молекулу окисляемого вещества. Оксигеназы, включающие один атом кислорода в окисляемое вещество, называются монооксигеназами (гидроксилазами). Оксигеназы, включающие два атома кислорода в окисляемое вещество, называются диоксигеназами. Таким путем окисляются циклические трудноокисляемые структуры, реакции идут с разрывом цикла.

Мультиферментный комплекс состоит из 3-х компонентов.

1. Флавиновые дегидрогеназы. Содержат ФАД. Наиболее обычный субстрат для них — НАДФН;

2.Железо-серный белок. Содержит негеминовое железо с переменной степенью окисления;

3.Цитохром Р450. Его строение отличается от строения цитохромов цепи митоходриального окисления;

61

Мультиферментный комплекс формирует цепь переноса электронов и протонов, в конце ее происходит активация кислорода. Активированный кислород присоединяется к активному центру цитохрома Р450, и на него переносятся электроны, а затем этот кислород включается в молекулу субстрата.

Примеры реакций оксигеназного типа окисления.

Монооксигеназы (гидроксилазы) включают в окисляемое вещество один атом кислорода из молекулы О2, а другой атом кислорода соединяется с двумя атомами водорода, отнятыми у какого-либо восстановителя (обычно – НАДФН(Н+), реже — у других: например, у витамина С). Аскорбиновая кислота (витамин С), как восстановитель, участвует в работе пролингидроксилазы; этот фермент включает гидроксильные группы в аминокислотные остатки пролина в молекуле проколлагена. Поэтому зрелый коллаген приобретает большую механическую прочность. При недостатке (дефиците) витамина С в организме эти реакции протекают медленнее - соединительная ткань становится менее прочной. Высокоспецифичные гидроксилазы, включающие ОН-группу в молекулу холестерина, принимают участие в образовании стероидных гормонов (половых, коры надпочечников) — эти реакции идут во внутренней мембране митохондрий.

Малоспецифичные гидроксилазы. Они наиболее часто окисляют циклические гидрофобные вещества, чужеродные для организма — ксенобиотики (лекарственные препараты; компоненты растений; вещества, которыми загрязнена окружающая среда). Биологический смысл этих реакций: гидроксилирование ксенобиотика делает его более растворимым, ускоряется его выведение из организма — многие из этих реакций протекают в печени (детоксикация).

Цитохром P450 (цитохром P450-зависимая монооксигеназа,

англ. Cytochrome P450, CYP) — общее название ферментов семейства P450. Входят в класс гемопротеинов, относятся к цитохромам типа b. Цитохром P450, связанный с монооксидом углерода, имеет максимум поглощения света при длине волны 450 нм, что определило его название. Цитохромы P450 обнаружены во всех без исключения царствах живых существ — у животных, растений, грибов, бактерий, архей. Эти белки отсутствуют только у облигатно анаэробных организмов. Описано около 11 500 белков системы CYP. У человека выявлено 57 генов и более 59 псевдогенов системы цитохрома P450. Они подразделяются на 18 семейств и 43 подсемейства. P450 бактерий и архей растворѐн в цитоплазме, в эволюционном смысле это наиболее древняя форма цитохрома P450. У эукариотических организмов P450 являются мембранными белками. Система цитохрома P450 участвует в окислении многочисленных соединений, как эндогенных, так и экзогенных. Ферменты этой группы играют важную роль в обмене стероидов, желчных кислот, ненасыщеных жирных кислот, а также в нейтрализации ксенобиотиков (лекарств, ядов, наркотиков). Цитохром Р450-зависимые монооксигеназы катализируют

62

расщепление различных веществ с участием донора электрона НАДФН и молекулярного кислорода. В этой реакции один атом кислорода присоединяется к субстрату, а второй восстанавливается до воды. Ферменты семейства цитохрома P450, в отличие от остальных гемопротеинов, как правило, обладающих одним типом активности и строго определѐнной функцией, достаточно разнообразны по функциям, типам ферментативной активности, зачастую обладают малой субстратной специфичностью. P450 могут проявлять как монооксигеназную, так и оксигеназную активность, поэтому иногда относятся к оксидазам со смешанной функцией. Оксигеназные реакции, катализируемые цитохромом Р450, весьма разнообразны. Одна из самых распространѐнных реакций окисления ксенобиотиков — окислительное деалкилирование, сопровождающееся окислением алкильной группы, присоединѐнной к атомам N, O или S. Другой распространѐнный тип реакций — гидроксилирование циклических соединений (ароматических, предельных и гетероциклических углеводородов). Ферменты семейства Р450 могут также катализировать реакции гидроксилирования алифатических соединений, N-окисление, окислительное дезаминирование, реакции восстановления нитросоединений. Цитохромы P450 катализируют омега-окисление насыщенных жирных кислот, перекисное окисление ненасыщенных жирных кислот, гидроксилирование стероидных гормонов, желчных кислот и холестерина, биосинтез простагландинов. Цитохромы P450 печени человека участвуют в нейтрализации ксенобиотиков (лекарств, ядов, наркотических веществ). Их субстратная специфичность невелика. Они наиболее эффективно катализирует окисление неполярных соединений с алифатическими или ароматическими кольцами. P450 печени, помимо прочего, участвует в окислении спиртов до соответствующих альдегидов. В связи с этим изучение ферментативной системы Р450 имеет большое значение для фармакологии.

Литература

1.Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия. М., Гэотар, 2000. 119

С..

2.Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. Патофизиология, т. 2. Основы патохимии.

С.-Пб. ЭЛБИ-СПб, 2001. 686 С..

3.Кольман Я., Рѐм К.-Г. Наглядная биохимия. М., Мир, 2010. 469 С.

4.Северин Е.С. Биохимия. М., Гэотар, 2003,. 779 С.

5.Северин Е.С., Николаев А.Я. Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами. Учебное пособие. М., Гэотар, 2001. 445 С.

6.Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М., «Наука». 1989.

С. 564.

7.Страйер Л. Биохимия. Перевод с англ., под ред. Северина С.Е. Т. 1. М.,

Мир, 1984, 232 С.

8.Уайт. А., Хендлер Ф., Смит Э. Основы биохимии. Т. 1. М., Мир, 1984, 532С.

63

9.Циганенко А.Я., Жуков В.И., Мясоедов В.В. Клиническая биохимия.

М., Триада-Х, 2002. 497 С.

10.Хочачка П., Сомерс Дж. Биохимическая адаптация, пер. с англ. – М.,

Мир, – 1988 – С. 568.

11.Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М., Изд. НИИ Биомед. химии РАМН. – 1999, 372 С.

12.Путилина Ф.Е., Галкина О.В., Ещенко Н.Д., Диже Г.П., Красовская И.Е. Свободнорадикальное окисление. Издательство С.- Петербургского университета. – 2008. – 161 С.

13.DeArmond S.J., Bouzamondo E. Fundamentals of prion biology and diseases // Toxycology. – 2002 – V. 181-182, N 27, P. 9-16

14.Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. Biochemistry. W.H. Freeman and Company, NY, Fifth edition, 2002, P. 974.

15.Robert K. Murray, Daryl K. Granner, Peter A. Mayes. Harper΄s Biochemistry. APPETON&LANGE, Norwalk, Connecticut, 1993. P. 806.

16.Википедия ru.wikipedia.org

64

Цепь транспорта электронов

13.Что понимают под цепью транспорта электронов? Как эта биохимическая система называется иначе? Где в клетке локализованы цепи транспорта электронов? Сколько их (ориентировочно) насчитывают в одной клетке?

14.В чем заключается биологическая роль дыхательной цепи? Что представляет, собой основной путь переноса электронов (и протонов) к кислороду? Назовите 11 участников этого пути).

15.Какова судьба электронов (и протонов), освобождающихся в клетках в процессах распада органических субстратов (метаболитов)? Что происходит с энергией электронов в процессе их миграции по дыхательной цепи в митохондриях? Сколько энергии электронов затрачивается в клетках для синтеза 1 моль АТФ? Сравните с энергией, освобождающейся при гидролизе АТФ до АДФ и фосфорной кислоты.

16.Что такое эндогенная вода? В каких процессах она образуется? Сколько ее образуется за сутки в организме человека? Какова роль глутатионпероксидазы и каталазы в клетках? Напишите реакции, катализируемые этими ферментами.

17.Как достигается постепенность освобождения избыточной энергии электронов в живых клетках? На что расходуется энергия электронов? Что определяет вектор движения электронов по дыхательной цепи?

18.От чего зависит последовательность расположения компонентов в дыхательной цепи? Что выражают окислительно-восстановительные (редокс) потенциалы компонентов цепи транспорта электронов? Каково направление движения электронов в дыхательной цепи и чем оно обусловлено?

19.Как изменяются величины редокс-потенциалов компонентов дыхательной цепи от субстрата к кислороду? Сколько энергии (в ккал и кДж) освобождается при изменении окислительно-восстановительного потенциала в дыхательной цепи на

0,2 В?

20.Что представляет собой укороченная цепь транспорта электронов? Сколько моль АТФ может возникнуть при прохождении по ней 2 моль электронов? Что представляет собой короткая дыхательная цепь? Какой продукт возникает в результате ее функционирования? Что происходит при этом с энергией мигрирующих электронов?

21.Напишите в виде схемы полную дыхательную цепь. Обозначьте места выбрасывания протонов на наружную поверхность мембраны. Укажите участки, где происходит первичное окисление субстрата, какие ферменты при этом участвуют?

22.Напишите реакцию окисления субстрата НАД+-зависимой дегидрогеназой (покажите механизм действия кофермента НАД+). Какова особенность действия НАДФ+-зависимых дегидрогеназ? Напишите трансдегидрогеназную реакцию. Каково ее биологическое значение?

23.Напишите в виде схемы полную дыхательную цепь. Обозначьте места выбрасывания протонов на наружную поверхность мембраны. Выделите и укажите первый ферментный комплекс дыхательной цепи, приведите его названия.

24.Напишите реакцию окисления НАДН(Н+) флавиновым ферментом. Какой кофермент участвует, покажите механизм его действия, дайте название ферменту.

25.Напишите реакцию окисления ФМНН2 с помощью убихинона. Какой ферментный комплекс осуществляет эту реакцию, дайте название.

26.Дайте название первого ферментного комплекса дыхательной цепи, какие белки, ферменты и коферменты в него входят? Как он функционирует?

27.Напишите в виде схемы полную дыхательную цепь. Обозначьте места выбрасывания протонов на наружную поверхность мембраны. Выделите и укажите второй ферментный комплекс дыхательной цепи.

28.Напишите реакцию окисления ФАДН2 с помощью убихинона. Какой фермент-

66

ный комплекс осуществляет эту реакцию, дайте название.

29.Дайте название второго ферментного комплекса дыхательной цепи, какие белки, ферменты и коферменты в него входят? Как он функционирует?

30.Какие основные пути доставки электронов на КоQ функционируют в митохондриях, какие ферментативные реакции являются поставщиками электронов на убихинон?

31.Напишите в виде, схемы полную дыхательную цепь. Обозначьте места выбрасывания протонов на наружную поверхность мембраны. Выделите и укажите третий ферментный комплекс дыхательных ферментов.

32.Напишите реакцию окисления KoQ-H2 при участии цитохромов b и с1. Какой ферментный комплекс осуществляет эту реакцию, дайте название.

33.Чем обусловлена ключевая-центральная роль КоQ в дыхательной цепи? В каких ферментных комплексах он участвует, дайте им названия.

34.Охарактеризуйте роль цитохрома С. Какой ферментный комплекс восстанавливает цитохром С. Охарактеризуйте этот комплекс.

35.Дайте название третьего ферментного комплекса дыхательной цепи, какие белки, ферменты и коферменты в него входят? Как он функционирует?

36.Напишите в виде, схемы полную дыхательную цепь. Обозначьте места выбрасывания протонов на наружную поверхность мембраны. Выделите и укажите четвертый ферментный комплекс дыхательных ферментов.

37.Что такое цитохромы? Какие их разновидности участвуют в дыхательной цепи? Каковы их структура и функция? Чем цитохромоксидаза отличается от других цитохромов?

38.Дайте название четвертого ферментного комплекса дыхательной цепи, какие белки, ферменты и коферменты в него входят? Как он функционирует?

39.Какова биологическая функция F-, Q- и O- циклов в дыхательной цепи? В составе каких ферментных комплексов они функционируют? Какие ферменты и коферменты в них участвуют?

40.Как регулируется интенсивность функционирования цепи транспорта электронов?

Занятие 2

Окислительное фосфорилирование

1.Что понимают под окислительным фосфорилированием? (Дайте определение). Что такое коэффициент фосфорилирования Р/О? Что он выражает? Чему он равен

вслучаях полной и укороченной цепей транспорта электронов?

2.Назовите теории (3) сопряжения окисления с фосфорилированием в процессе функционирования цепей транспорта электронов в митохондриях. Какая из теорий

внастоящее время имеет наибольшее число сторонников? В чем суть химиоосмотической теории сопряжения окисления с фосфорилированием?

3.Что такое трансмембранный электрохимический потенциал? Из каких компонентов он слагается? Чему они равны? Где и как возникает этот потенциал? В чем заключается биологический смысл генерирования этого потенциала?

4.Что понимают под протонным циклом? Какова его биологическая функция? Что можно назвать «депо» электрохимической энергии и какое вещество – «энергетической валютой» организма? Сколько протонов необходимо для осуществления синтеза АТФ протонной АТФ-азой и сколько на транслокацию АТФ?

5.Какие участки дыхательной цепи обеспечивают сопряжение; окисления с фосфорилированием? Почему?

6.Что представляет собой сопрягающее устройство и какова его функция? Какой фермент в сопрягающем устройстве обеспечивает использование энергии трансмембранного потенциала?

67

7.Какие вещества (назовите не менее 3) являются разобщающими агентами и почему их так называют? Что понимают под свободным окислением? В каких случаях оно усиливается? Почему для окислительного фосфорилирования необходима целостность внутренней мембраны митохондрии?

8.Какой фермент подразумевается под пятым ферментным комплексом внутренней мембраны митохондрии? Охарактеризуйте его строение и функцию.

Субстратное фосфорилирование

9.Что такое субстратное фосфорилирование? (Дайте определение). Напишите реакцию субстратного фосфорилирования с участием I, 3-дифосфоглицериновой кислоты. Составной частью каких процессов является эта реакция?

10.Что такое субстратное фосфорилирование? (Дайте определение). Напишите реакцию субстратного фосфорилирования с участием фосфоенолпирувата. Составной частью каких процессов является эта реакция? Почему она необратима?

11.Что такое субстратное фосфорилирование? (Дайте определение). Напишите субстратное фосфорилирование с участием сукцинил-СоА. Составной частью какого процесса является это субстратное фосфорилирование?

12.Что такое субстратное фосфорилирование? (Дайте определение). Напишите реакцию образования АТФ с участием креатинфосфата. В чем биологическая значимость креатинфосфата?

Микросомальное окисление

13.Что подразумевают под микросомальным окислением? Какие ферменты (назовите 4 группы) участвуют в процессах микросомального окисления? В чем заключается биологическая роль (3) процессов микросомального окисления?

14.Охарактеризуйте типы и строение цитохрома Р450, его биологическую функцию и участие в монооксигеназных реакциях.

15.Охарактеризуйте ферменты монооксигеназы, назовите коферменты, входящие в их состав. Какие реакции они катализируют и каково их биологическое значение?

16.Охарактеризуйте митохондриальную гидроксилазную систему, ее состав и биологическую функцию

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

17.Дайте характеристику пируватдегидрогеназному комплексу. Напишите реакцию образования оксиэтилтиаминдифосфата.

18.Дайте характеристику пируватдегидрогеназному комплексу. Напишите реакцию образования ацетиллипоамида.

19.Дайте характеристику пируватдегидрогеназному комплексу. Напишите реакцию образования ацетил-СоА.

20.Дайте характеристику пируватдегидрогеназного комплекса. Напишите реакцию окисления дигидролипоамида.

Цикл трикарбоновых кислот

21.В чем заключается сущность цикла трикарбоновых кислот? Каково его биологическое значение? Где он локализован в клетках? Какова связь между обменом углеводов, жиров, белков и циклом трикарбоновых кислот?

22.Назовите субстраты окисления (4) в цикле трикарбоновых кислот. Какова судьба водорода (электронов и протонов), освобождающихся при дегидрировании этих субстратов? Синтез какого количества молекул АТФ в дыхательных цепях обеспечивает один оборот цикла трикарбоновых кислот?

23.Какая реакция окисления в цикле трикарбоновых кислот обеспечивает поступление электронов в укороченную дыхательную цепь? Сколько это дает клетке моле-

68

кул АТФ? Сколько молекул АТФ возникает в цикле трикарбоновых кислот путем субстратного фосфорилирования? Какой субстрат это обеспечивает?

24.Изобразите принципиальную схему цикла трикарбоновых кислот. Напишите формулами начальную часть цикла, включая образование изоцитрата.

25.Изобразите принципиальную схему цикла трикарбоновых кислот. Напишите формулами часть цикла, начиная с цис-аконитовой кислоты и включая образование сукцинил-СоА.

26.Изобразите принципиальную схему цикла трикарбоновых кислот. Напишите формулами часть цикла, начиная с изоцитрата и включая образование сукцината.

27.Изобразите принципиальную схему цикла трикарбоновых кислот. Напишите формулами часть цикла, начиная с альфа-кетоглутаровой кислоты и включая фумаровую кислоту.

28.Изобразите принципиальную схему цикла трикарбоновых кислот. Напишите формулами часть цикла, начиная с янтарной кислоты.

29.Изобразите принципиальную схему цикла трикарбоновых кислот. Напишите формулами часть цикла от сукцинил-СоА до яблочной кислоты.

30.Какие ферменты цикла трикарбоновых кислот являются регуляторными? Какие метаболиты и как на них влияют? Что понимают под амфиболичностью цикла трикарбоновых кислот?

31.Дайте характеристику альфа-кетоглутаратдегидрогеназному комплексу. Напишите окисление альфа-кетоглутарата до сукцинил-СоА с участием всех ферментов и коферментов.

32.Какие атомы в ацетил-СоА являются донаторами электронов, в чем заключается роль присоединяемой воды в процессе окисления ацетила? Сколько электронов дает ацетил при своем окислении в дыхательную цепь?

Транспортные системы митохондрий

33.Как обеспечивается обмен веществами между цитоплазмой и матриксом митохондрий? По каким трем основным механизмам осуществляется этот обмен? Движущей силой переноса каких веществ (2) является протонный градиент?

34.Механизм работы АДФ/АТФ транслоказы и какая движущая сила обеспечивает ее работу?

35.Глицерофосфатный челночный механизм, его биологическая функция.

36.Малат-аспартатный челночный механизм его биологическая функция.

Активные формы кислорода

37.Напишите постепенное четырехэлектронное восстановление молекулы кислорода. Где оно происходит, какой фермент его осуществляет, какие активные формы кислорода образуются? Биологическое значение активных форм кислорода.

38.В каких процессах образуется супероксид радикал? Напишите реакции (4) его образования. Какой фермент его обезвреживает? Напишите реакцию. Биологическое значение супероксид радикала.

39.В каких процессах образуется перекись водорода. Какие ферменты ее обезвреживают? Напишите реакции. Биологическое значение перекиси водорода.

40.В каких процессах образуются гипохлорит ион и синглетный кислород? Их биологическое значение. Какие вещества обезвреживают активные формы кислорода и как их называют.

Вопросы к коллоквиуму

Общие вопросы

1.Фототрофные и хемотрофные, аутотрофные и гетеротрофные организмы, их характеристика. Какие процессы в живом организме требуют затраты энергии? В

69

чем заключается биологическая роль (2) процессов распада органических веществ в организме?

2.Что понимают под биологическим окислением? Что такое тканевое дыхание? Что понимают под окислением аэробным и анаэробным? В каких субклеточных фракциях (2) протекают процессы биологического окисления?

3.Как возникают вода и СО2 при окислительном распаде в клетках органических субстратов? Какова роль (2) в организме вдыхаемого кислорода? Сколько эндогенной воды образуется за сутки в организме человека?

4.Что такое окисление? Как меняется степень окисления углерода углеводов и углеводородной цепи жирных кислот в процессе их деградации до диоксида углерода? Напишите схему использования органических веществ в качестве источника энергии в организме человека и высших животных.

Макроэргические вещества

5.Какие межатомные связи называют макроэргическими? Назовите наиболее часто встречающиеся макроэргические вещества (не менее 7). Что понимают под адениловой (аденилатной) системой? Какова роль АТФ в организме? Какова величина энергии, освобождающейся при распаде 1 моль АТФ? Какова «длительность жизни» молекул АТФ в клетках высших организмов? Каково суммарное количество АТФ, синтезирующееся (и распадающееся) за сутки в организме взрослого человека?

Цепь транспорта электронов

6.Что понимают под цепью транспорта электронов? Как эта биохимическая система называется иначе? Где в клетке локализованы цепи транспорта электронов? Сколько их (ориентировочно) насчитывают в одной клетке? В чем заключается биологическая роль дыхательной цепи?

7.Какова судьба электронов (и протонов), освобождающихся а клетках в процессах распада органических субстратов (метаболитов)? Что происходит с энергией электронов в процессе их миграции по дыхательной цепи в митохондриях? Сколько энергии электронов затрачивается в клетках для синтеза 1 грамммолекулы АТФ?

8.Как достигается постепенность освобождения избыточной энергии электронов в живых клетках? Что представляет собой основной путь переноса электронов (и протонов) к кислороду? (Назовите 11 участников этого пути).

9.От чего зависит последовательность расположения компонентов в дыхательной цепи? Что выражают окислительно-восстановительные потенциалы компонентов цепи транспорта электронов? Как изменяются величины этих потенциалов от субстрата к кислороду? Сколько энергии (в ккал и кДж) освобождается при изменении окислительно-восстановительного потенциала в дыхательной цепи на

0,2 В?

10.Что представляет собой укороченная цепь транспорта электронов? Сколько молекул АТФ возникает при прохождении по ней 2 электронов? Что представляет собой короткая дыхательная цепь? Какой продукт возникает в результате ее функционирования? Что происходит при этом с энергией мигрирующих электронов?

11.Что представляет собой полная цепь транспорта электронов? Сколько молекул АТФ возникает при прохождении по ней 2 электронов? Что представляет собой короткая дыхательная цепь? Какое вещество восстанавливается в результате ее функционирования? Что происходит при этом с энергией мигрирующих элек-

70