Слесарев. Основы Химии живого

Процесс внутримолекулярной окислительно-восстановитель- ной дисмутации атомов углерода сопровождает реакции дегид­ ратации и гидратации или дезаминирования и аминирования, декарбоксилирования, разрыва межуглеродных связей и изоме­ ризации. Все эти реакции в организме происходят при участии соответствующих ферментов, например:

- гидратация фумаровой кислоты:

НООС Н

Несмотря на то, что все приведенные реакции являются окислительно-восстановительными, ферменты, обеспечивающие их протекание, обычно не относят к классу оксидоредуктаз. Это связано с тем, что за основу номенклатуры ферментов положена суммарная реакция, выражаемая формальным уравнением, а не интимный механизм реакции.

Прежде чем перейти к рассмотрению межмолекулярных окислительно-восстановительных реакций, протекающих в ор­ ганизме, рассмотрим окислительно-восстановительные превра­ щения кофакторов и коферментов оксидоредуктаз.

9 .3 .3 . ОКИ СЛИТЕЛЬНО -ВО ССТАНО ВИ ТЕЛЬНЫ Е ПРЕВРАЩЕНИЯ КОФАКТОРОВ И КОФЕРМ ЕНТОВ РЕДУКТАЗ

Кофакторы и коферменты, реагируя под влиянием оксидо­ редуктаз с субстратом, в зависимости от его природы могут быть окислителями или восстановителями. Такая двойствен­ ность связана с возможностью их существования в двух сопря­ женных формах: окисленной и восстановленной.

Оксидоредуктазами, содержащими кофакторы, являются раз­ личные цитохромы, железосеропротеины [Fe*S*Prot] и ряд дру­

221

гих ферментов. Эти соединения являются комплексами, в кото­ рых белок фермента ковалентно связан с комплексообразователем - катионом переходного металла, выполняющего роль кофактора. Кофактором чаще всего бывает железо, медь, а ино­ гда марганец и молибден. Все они образуют с белком не менее двух ковалентных связей. Поскольку для всех перечисленных металлов характерна переменная валентность, то их окисли- тельно-восстановительные превращения связаны с присоедине­ нием или отдачей электронов. Вследствие этого обратимо изме­ няется заряд катиона металла-комплексообразователя. В ре­ зультате происходит переход оксидоредуктазы из окисленной формы в восстановленную и наоборот:

В общем виде:

где +n, +(п - 1) - степени окисления катиона металла.

Вследствие окислительно-восстановительной двойственности оксидоредуктазы с кофакторами способны служить переносчи­ ками электронов и поэтому являются компонентами электро­ нотранспортных цепей (разд. 9.3.5).

В качестве коферментов оксидоредуктаз выступают слож­ ные органические соединения, способные к обратимым окисли­ тельно-восстановительным превращениям за счет дисмутации их атомов углерода. Окисленная форма кофермента Коф, вы­ ступая акцептором и электронов и протонов, переходит в со­ пряженную восстановленную форму Коф(дгН)

Белок • Коф [C+n, С+т] + 2е‘ + *Н+ ^21

окисленнаяформаоксидоредуктазы

=3 2 = Белок • Коф (xH)[C"~l, Cm~l]

восстановленнаяформаоксидоредуктазы

где [С+п, С+ш] - атомы углерода молекулы кофермента, которые изме­ няют степень окисления.

Коферменты связаны с белком оксидоредуктазы достаточно прочно: обычно за счет межмолекулярных связей, но иногда и ковалентно. Рассмотрим особенности строения и окислительно­ восстановительных свойств некоторых коферментов.

Убихиноны, или кофермент Q (KoQ). Убихиноны - это груп­ па жирорастворимых витаминов Q, являющихся производными

222

бензохинона, содержащими гидрофобный заместитель R, который способствует их соединению с белком с образованием убихинонпротеинов. Убихинонпротеины, являясь окислителями, присоеди­ няют от субстрата два электрона к атомам углерода хиноидной группировки, изменяя их степень окисления. Одновременно к атомам кислорода этого кофермента присоединяются два прото­ на (обычно из водной среды). В результате образуется восста­ новленная форма - убихинолпротеины KoQ(2H):

Флавопротеины (ФП) - соединения, содержащие изоаллоксазиновый фрагмент. К ним прежде всего относятся соедине­ ния флавинаденинмононуклеотида (ФМН) или флавинадениндинуклеотида (ФАД) с белком, которые являются производными рибофлавина (витамин В2 ). Эти коферменты, восстанавливаясь, присоединяют от субстрата два электрона к атомам углерода изоаллоксазинового фрагмента, изменяя их степень окисле­ ния. Одновременно два протона (Н+), получаемые обычно из водной среды, присоединяются к атомам азота, в результате образуется восстановленная форма ФП(2Н) - ФМН(2Н) или ФАД(2Н).

адениндинуклеотид (НАД+) или никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+), в обозначении окисленных форм которых содержится знак "+”, так как они содержат пиридиниевый кати­ он. Оба эти соединения, восстанавливаясь, присоединяют от суб­ страта-восстановителя два электрона и один протон к атомам углерода пиридинового цикла, переходя в восстановленную

223

форму НАД(Н) или НАДФ(Н) соответственно. Эти коферменты являются производными витамина PP.

окисленная форма НАД+или НАДФ+

Таким образом, окислительно-восстановительные превраще­ ния коферментов оксидоредуктаз протекают за счет атомов угле­ рода и в них принимают участие протоны. Причем окисленная форма любого кофермента выступает акцептором и электронов и протонов, а восстановленная форма - их донором. Подобно оксидоредуктазам с кофакторами, оксидоредуктазы с коферментами могут быть переносчиками электронов, поэтому они также яв­ ляются компонентами электронотранспортных цепей клетки (разд. 9.3.4).

Окислительно-восстановительные свойства коферменов в орга­ низме сильно зависят от того, концентрация какой из форм преоб­ ладает. Если преобладает окисленная форма, то кофермент высту­ пает окислителем и способствует окислению субстрата. В случае преобладания восстановленной формы кофермент-восстановитель способствует восстановлению субстрата. Так, в клетках печени отношение концентраций [НАД+]/[НАД(Н)] > 510, а [НАФД+]/ [НАДФ(Н)] » 0,01. Поэтому сопряженная система кофермента НАД+ выступает окислителем, способствуя окислению субстра­ тов, а сопряженная система кофермента НАДФ+, в которой пре­ обладает форма НАДФ(Н), ведет себя как восстановитель, способ­ ствуя восстановлению субстратов. Таким образом, за счет изме­ нения соотношения концентраций окисленной и восстановленной форм коферментов оксидоредуктаз происходит поддержание окис- лительно-восстановительного гомеостаза и регуляция метабо­ лизма в организме.

Многие окислительно-восстановительные реакции в организ­ ме протекают под действием других коферментов, например глютатиона, липоевой кислоты, пиридоксальфосфата, действие кото­ рых рассматривается в разд. 12.2.6, 17.6 и 18.2.4 соответственно.

В биохимической и медицинской литературе часто встречается мне­ ние, что коферменты убихиноны и флавопротеины при восстановлении присоединяют два атома водорода или молекулу водорода, а пиридинпротеины - гидрид-ион, т. е. Н“, и что коферменты являются переносчиками указанных частиц. Иногда совокупность электрона и протона {е~ + Н+} =

= {Н} называют восстановительным эквивалентом. Все эти выражения крайне неудачны, так как противоречат химической сущности проте­

224

кающих процессов и химически абсурдны, ибо атомарный водород чрез­ вычайно реакционноспособен, а молекулы водорода, наоборот, химически инертны и чрезвычайно летучи в условиях организма. Гидрид-ион не мо­ жет образовываться и существовать в воде, которой в организме свыше 60 % . Следует говорить о присоединении или переносе оксидоредуктазами электронов и протонов раздельно, и нельзя объединять эти частицы, так как маршруты их движения в живых системах абсолютно различны. Осо­ бенно четко это проявляется в электронотранспортных цепях клетки.

9 .3 .4 . ЭЛЕКТРОНОТРАНСПОРТНЫ Е ЦЕПИ

В живых системах перенос электронов от сильного восстанови­ теля к сильному окислителю всегда происходит ступенчато, для чего используется электронотранспортная цепь (ЭТЦ). Электро­ нотранспортная цепь - это ансамбль из нескольких оксидоредуктаз, который локализован во внутриклеточных мембранах или на их поверхности. В этом ансамбле оксидоредуктазы со своими ко­ факторами и коферментами в их окисленных и восстановленных формах располагаются строго последовательно друг за другом по мере возрастания их восстановительного потенциала (табл. 9.2) и уменьшения энергии Гиббса G, как показано на рис. 9.1. Други­ ми словами, ЭТЦ начинается с оксидоредуктазы, у которой вос­ становительные свойства преобладают над окислительными (ср < < 0). Однако ее окислительная активность достаточна, чтобы окис­ ление субстрата-восстановителя произошло самопроизвольно. По мере продвижения по цепи у каждой последующей оксидоредук­ тазы окислительная способность увеличивается, а восстанови­ тельная - уменьшается. Заканчивается ЭТЦ оксидоредуктазой, у которой окислительные свойства преобладают над восстанови­ тельными (ф > 0). Однако ее восстановительная активность доста­ точна, чтобы восстановление реагента-окислителя произошло само­ произвольно. Таким образом, за счет оксидоредуктаз ЭТЦ проис­ ходит постепенное выравнивание восстановительного потенциала между субстратом-восстановителем и реагентом-окислителем. Это еще раз свидетельствует о том, что природа всегда стремится не к резкому, а к постепенному изменению свойств взаимодействую­ щих компонентов.

Как видно из приведенной схемы, ЭТЦ осуществляет сопря­ жение пространственно разделенных реакций окисления восста­ новителя (источник электронов) и восстановления окислителя (потребитель электронов), протекающих на концах этой цепи за счет передачи по ней электронов - общего компонента для всех участников цепи. Перенос электронов вдоль цепи осуществля­ ется благодаря самопроизвольному и последовательному проте­ канию обратимых окислительно-восстановительных превраще­ ний компонентов этой цепи. При этих превращениях электроны от восстановленной формы одного компонента (I) передаются к окисленной форме последующего компонента (II), что сопровож­ дается превращением восстановленной формы (I) в сопряженную окисленную форму (I).

АН+

Электронотранспортная цепь

Рис. 9.1. Схема окислительно-восстановительного процесса в электронотранспортной цепи и возникнове­ ния трансмембранного протонного потенциала \|/(Н^)

Процесс передачи электронов по ЭТЦ - экзэргонический (AG < < 0). За счет энергии, освобождающейся при переносе электронов по цепи, одновременно осуществляется перенос протонов сквозь мембрану. Это происходит с помощью ассоциатов из некоторых оксидоредуктаз. Механизм передачи протонов сквозь мембрану еще точно не установлен. В результате переноса протонов по раз­ ные стороны мембраны создается градиент концентрации прото­ нов, называемый также трансмембранным протонным потенциа­ лом ij/(H+). Таким образом, в ЭТЦ потоки электронов и протонов хотя и сопряжены между собой, но разобщены, так как электроны движутся вдоль мембраны, а протоны - сквозь нее.

Электронотранспортные цепи могут содержать разное число и разные виды оксидоредуктаз. Обычно это оксидоредуктазы с ко­ факторами: различные цитохромы и железосеропротеины, а также оксидоредуктазы с коферментами: НАД+, НАДФ+, ФМН, ФАД, KoQ. ЭТЦ может быть разветвленной, причем если на одном ее конце идет реакция восстановления окислителя-реагента, то на других концах протекают реакции окисления. В состав ЭТЦ могут входить компоненты, которые способны повысить энергию переда­ ваемых электронов, например, за счет энергии поглощаемого све­ та. Подробнее работу электронотранспортных цепей рассмотрим на процессах окислительного фосфорилирования (разд. 9.3.6), фотофосфорилирования (разд. 9.3.7) и оксигеназного окислениявосстановления с помощью цитохрома Р-450 (разд. 9.3.8).

9 .3 .5 . ДЕГИДРОГЕНАЗНОЕ ОКИ СЛЕНИЕ-ВО ССТАНО ВЛЕНИ Е

В организме широко распространено дегидрогеназное окисле­ ние субстратов St(2H), совершаемое межмолекулярно в присутст­ вии ферментов группы дегидрогеназ, относящихся к классу окси­ доредуктаз. Дегидрогеназы содержат коферменты, которые могут обратимо переходить из окисленной (Коф) в сопряженную восста­ новленную форму Коф(2Н) и участвовать в образовании активиро­ ванного комплекса [субстрат •кофермент •дегидрогеназа]. В этом комплексе субстрат отдает два электрона окисленной форме ко­ фермента, а свои протоны обычно посылает в окружающую вод­ ную среду. Восстанавливаясь, кофермент Коф присоединяет не только электроны, но и протоны (обычно из водной среды), пере­ ходя при этом в сопряженную восстановленную форму Коф(2Н):

В случае коферментов НАД+ и НАДФ+ один из протонов суб­ страта посылается в водную среду, а другой передается от его ато­

ма углерода атому углерода кофермента. Это отличие от других коферментов, у которых акцепторами протонов являются атомы азота и кислорода, обусловлено, по-видимому, отличием в энер­ гиях связи С—Н от связей N—Н и О—Н.

Дегидрогеназы с помощью коферментов способствуют отще­ плению двух электронов и двух протонов от двух соседних атомов молекулы субстрата с образованием между ними двойной связи. Дегидрогеназному окислению подвергаются:

- насыщенные углеводороды:

-альдегиды:

,о

С помощью дегидрогеназ в клетке осуществляются отдельные стадии таких биохимических процессов, как Р-окисление жир­ ных кислот (разд. 19.4.2), цикл Кребса (разд. 19.4.3) и других, при которых происходит реакция дегидрирования субстратов.

Дегидрогеназы катализируют не только окисление, но и вос­ становление биосубстратов, однако в последнем случае восстанов­ ленная форма их кофермента должна быть более активна. Роль восстановителей, способных восстанавливать биосубстраты, час­ то выполняют дегидрогеназы с восстановленной формой кофер­ мента НАДФ(Н), поскольку в клетке обычно содержание формы НАДФ(Н) в 100 раз больше, чем окисленной формы НАДФ+, что

228

обеспечивает НАДФ(Н) более высокий восстановительный потенци­ ал, как, например, в случае реакции гидрирования азота до аммиа­ ка, протекающей в синезеленых водорослях под действием нитрогеназы с НАДФ(Н). Реакция гидрирования протекает при участии АТФ, гидролиз которой обеспечивает ее необходимой энергией.

Протоны в этой реакции участвуют и способствуют восстанов­ лению азота, но степень окисления атомов водорода при этом не изменяется. Следовательно, при гидрировании субстрата в жи­ вой системе восстановителем являются атомы углерода восста­ новленной формы кофермента, а не атомы водорода, как это час­ то утверждают некоторые учебники.

Реакции восстановления в отличие от реакций окисления являются, как правило, эндэргоническими. Поэтому в организ­ ме в некоторых случаях осуществляется сопряжение этих реак­ ций, а в качестве посредника между ними обычно выступают дегидрогеназы с коферментом НАДФ(Н). Восстановленная фор­ ма этого кофермента НАДФ(Н) переносит электроны и протоны от реакций окисления к реакциям восстановления.

реакция

восстановления

Таким образом, оксидоредуктазы с восстановленной формой кофермента могут служить, наряду с АТФ, аккумуляторами энер­ гии в клетке. Однако отдавать энергию эти соединения будут только выступая восстановителями при взаимодействии с био- субстратами-окислителями.

Дегидрогеназное окисление субстратов обычно протекает в ми­ тохондриях клетки, где оно сопряжено с восстановлением кисло­ рода и синтезом АТФ, т. е. с окислительным фосфорилированием.

9 .3 .6 . О КИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Процесс окислительного фосфорилирования протекает в ми­ тохондриях на их внутренней мембране, где расположены два ансамбля ферментов. Один состоит из оксидоредуктаз (электро­ нотранспортная цепь), а второй - АТФ-синтаза. Работа этих ан-

229

самблей сопряжена за счет общего для них компонента - прото­ на, как показано на рис. 9.2.

Сопряжение дегидрогеназного окисления под действием мо­ лекулярного кислорода и работы двух указанных ансамблей ферментов составляет суть дыхательной цепи клетки, которая является основным источником энергии для жизнедеятельности аэробных организмов.

Ансамбль оксидоредуктаз ЭТЦ обеспечивает протекание сле­ дующих жизненно важных процессов:

-окисление (дегидрирование) субстрата на одном конце ЭТЦ;

-восстановление молекулярного кислорода до воды на дру­ гом конце ЭТЦ;

-перенос электронов по ЭТЦ между указанными процессами;

-перенос протонов сквозь мембрану из матрикса в межмембранное пространство с созданием по разные стороны внутрен­ ней мембраны трансмембранного протонного потенциала ц/(Н+).

Дегидрогеназное окисление начинается с окисления субстрата дегидрогеназой, которая является крайней в ЭТЦ. Она активирует субстрат и с помощью окисленной формы кофермента, например НАД+, отщепляет от него два электрона и два протона, переходя при этом в сопряженную восстановленную форму НАД(Н). Таким образом электроны из субстрата попадают в ЭТЦ и передаются йо ней последующим компонентам вплоть до молекулы кислорода. Про­ стейший вариант ЭТЦ дыхательной цепи представлен на рис. 9.3.

Последний компонент ЭТЦ - цитохромоксидаза (цитохром а,а3) в отличие от других цитохромов содержит не только ка­ тионы железа, но и катионы меди. Цитохромоксидаза, взаимо­ действуя с молекулой кислорода, активирует ее и восстанавли­ вает, передавая каждому атому кислорода два электрона, полу­ ченных по ЭТЦ от окисляемого субстрата.

Движение электронов по ЭТЦ происходит ступенчато от ве­ ществ с низким потенциалом (срб = -0,32 В) к веществам с высо­

ким потенциалом (фб = +0,82 В). ЭДС этого процесса Е = 0,82 - - (-0,32) = 1,14 В. Положительное значение ЭДС процесса ука­ зывает, что перенос электронов по данной цепи сопровождается уменьшением энергии Гиббса:

AG = -zFE = -2 •96500 •1,14 = -220 кДж/моль

т. е. является экзэргоническим. Энергия, которая выделяется в ре­ зультате окисления субстрата и переноса двух электронов по ЭТЦ на кислород, используется на перенос протонов из матрикса сквозь внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Этот перенос протонов против градиента их концентрации осуществляется опре­ деленными оксидоредуктазами или их ассоциатами в ЭТЦ (рис. 9.3). В результате на внутренней мембране возникает трансмембранный потенциал ц/(Н+), обусловленный наличием градиента концентра­ ции протона (АрН « 1,4) по разные стороны этой мембраны.

Согласно хемиосмотической гипотезе лауреата Нобелевской премии П. Митчела, выведенные из матрикса в межмембранное

230