Marri_i_dr_-_Biokhimia_cheloveka_tom_1

зующие в качестве субстрата перекись водорода или органические Перекиси. К этой категории относятся два типа ферментов: пероксидазы, находящиеся в со­ ставе молока, в растениях, лейкоцитах, тромбоци­ тах, эритроцитах и т. д., И катала1а, функционирую­ щая в тканях животных и растений.

прямое введение кислорода в молекулу субстрата.

Оксидазы

Цитохромоксидаза - гемопротеин, широко рас­ пространенный в растительных и животных тканях. Она служит конечным компонентом цепи дыхатель­

ных переносчиков, локализованных в митохондриях.

и катализирует реакцию, в результате которой элек­ троны, высвобождающиеся из молекул субстрата

при их окислении дегидрогеназами, переносятся на

конечный акцептор - кислород. Данный фермент

отравляется окисью углерода, цианидом и сероводо­

родом. Иногда цитохромоксидазу называют цитох­

ромом аз. Первоначально предполагали, что цитох­

ром а и цитохром аз- это автономные гемопротеи­

ны, поскольку каждый из них характеризуется опре­

деленным спектром, кроме того, они проявляют раз­

ную чувствительность к действию окиси углерода

и цианида. В дальнейшем же было показано, что эти

два цитохрома входят в состав комплекса, который

получил название цитохром ааз. Он содержит две

молекулы гема, в каждой из которых атом железа

может переходить из состояния Fe2+ в состояние

Fe3+ и обратно в ходе окисления и восстановления, а также два атома Cu, каждый из которых взаимо­ действует с одним из гемов.

Фенолаза (тирозиназа, полифенолоксидаза, кате­ холоксидаза) - это медьсодержащий фермент с ши­ рокой специфичностью. Он катализирует превраще­

ние монофенола (в присутствии о-дифенола) в 0- ХИНОН. Медь обнаружена в ряде других ферментов,

в частности в уриказе, катализирующей окисление мочевой кислоты в аллантоин, и в моноаминоксида­ зе, окисляющей адреналин и тирамин в митохонд­

риях.

Аэробные дегидрогеназы

Аэробные дerидрогеназы являются флавопротеи­ нами; они содержат в качестве простетической груп­ пы флаввнмононуклеотид (FMN) или флавинад~нин­ динуклеотид (FАО). FMN и FAD образуются в орга­ низме человека из витамина рибофлавина (рис.

Рибофлавин (витамин 82) в тканях млекопитаю­ щих не синтезируется; он образуется в растениях

и микроорганизмах и является, следовательно, неза­

12

CHl -он

1

н-с-он

().Рибитоп Н- ~-он

{ н-с-он

I

н-с-н

I

нзсyY'NX:NI~O

\

т

Фпавин

Рис. 12.5. Рибофлавин.

роциклический флавин. В тканях рибофлавин путем АТР-зависимого фосфорилирования превращается в FMN (рис. 12.6); далее путем переноса АМР от другой молекулы АТР образуется FAD (рис. 12.7).

FMN и F AD обычно прочно - но не ковалент­ но- связ~ны С соответствующим апоферментом. Многие флавопротеиновые ферменты содержат

один или несколько ионов металлов, выполняющих

роль кофакторов; такие флавопротеиновые фермен­

ты называют металлофлавопротеинами.

К ферментам группы аэробных дегидрогеназ от­ носится также дегидрогеназа L-аминокислот (окси­ даза L-аминокислот)-находящийся в почках FMN- содержащий фермент с широкой специфичностью,

катализирующий окислительное дезаминирование

природных L-аминокислот. Широко распространена ксантиндегидрогеназа (ксантиноксидаза); она обна­

ружена в молоке, в тонком кишечнике, почках и пе­

чени. Ксантиндегндрогеназа содержит молибден;

она играет важную роль в превращении пуриновых

оснований в мочевую кислоту и особое значение

имеет в печени и почках птиц, которые экскретируют

мочевую кислоту как главный конечный азотсодер­ жащий продукт метаболизма пуринов, а также ката­ болизма белков и аминокислот.

н-с-н

I

НзСуУ'NуNI~О

HJC~~NH

Альдегиддerидрогеназа- F АD-содержащий фер­

мент, находящийся в печени млекопитающих. Это­ металлофлавопротеин, содержащий молибден и не­ гемовое железо, окисляющий альдегиды и N- гетероциклические субстраты.

Глюкозооксидаза- FАD-специфичный фермент,

получаемый из грибов. Она важна тем, что исполь­

зуется при определении глюкозы.

Механизм окисления и восстановления, осу­

ществляемый этими ферментами, весьма сложен. Судя по имеющимся данным, происходит двуста­

дийное восстановление изоаллоксазинового кольца

с промежуточным образованием семихинона (сво­ бодного радикала) (рис. 12.8).

Анаэробные дегидрогеназы

ферменты, находящиеся в цитозоле большинства

клеток, используют только никотиновую кислоту.

но не никотинамид. Никотинамидный фрагмент

NAD+ образуется из никотинатного фрагмента, ког­

да последний находится в составе нуклеотида; амид­

ная группа поступает из глутамина (рис. 12.9).

Имеются данные о том, что в митохондриях для

синтеза NAD+ используется никотинамид. Кофер­ менты восстанавливаются специфическими субстра­

тами дегидрогеназ и окисляются адекватным акцеп­

тором электронов (рис. 12.10). Коферменты могут

свободно и обратимо диссоцииравать из комплекса

ссоответствующими апоферментами.

Вобщем случае NАD-зависимые дerидрогеназы

катализируют окислительно-восстановительные ре­

акции окислительных путей метаболизма­

А. Дегидрогеназы, зависимые от ннкотинамидных

коферментов. В эту категорию попадает большое число дегидрогеназ. Они спедифичны либо к никоти­

намидадениндинуклеотиду (NAD +), либо к никоти­

намидадениндинуклеотидфосфату (NADP+), выпол­

няющим роль коферментов (рис. 12.9). Имеются, од­ нако, дегидрогеназы, у которых коферментом может быть как NAD+, так и NADP+.

NAD+ и NADP+ образуются в организме человека из витамина ниацина. Ниацин включает никотиновую

кислоту и ее амид (никотинамид) - каждое из этих соединений может. выполнять функции витамина в пищевом рационе. Для синтеза NAD+ или NADP+

гликолиза, цикла лимонной кислоты, дыхательной

цепи митохондриЙ. NАDР-зависимые дerидрогеназы

участвуют в процессах восстановительного синтеза,

в частности во внемитохондриальном синтезе жир­

ных кислот и стероидов; они также являются кофер­ ментами дегидрогеназ пентозофосфатного пути. Не­

которые дегидрогеназы, функционирующие с нико­

тинамидными коферментами, содержат ион цинка,

в частности алкогольдегидрогеназа печени и глице­

ральдегид-З-фосфат-дегидрогеназа скелетных мышц. Полагают, что ионы цинка не участвуют не­

посредственно в процессах <;жисления и восстановле­

ния.

о

ll

0=rfI I с-о-

Н....С......... NH2

-о 11

О

2-Амино-3-кар60кси-

мvконanгr:

БIIО.IO.,uческое окислеlfuе

123

н.Н

дыхательную цепь. Еще одна функция флавин­

зависимых дегидрогеназ - катализируемое дигид­

ролипоилдегидрогеназой дегидрирование восста­

новленного липоата (интермедиата при окислитель­

ном· декарбоксилировании пирувата и а­

кетоглутарата) (см: рис. 18.5). В этом случае вслед­

ствие низкого значения окислительно-вос­

становительного потенциала системы липоата

переносчиком водорода от восстановленного ли­

поата к NAD+ является флавопротеин (FАО). Элек­

тронпеРеносищий флавonротеин является промежу:'

точным переносчиком электронов между ацил­

CoA-дегидрогеназой и дыхательной цепью (см. рис.

13.3).

В. Цитохромы. За исключением рассмотренной выше цитохромоксидазы, цитохромы классифици­ руются как анаэробные дегидрогеназы. Их иденти­ фикация и изучение облегчаются тем обстоятель-

Гидропероксидазы

А. Пероксидаза. Первоначально пероксидазы

считались растительными ферментами, позднее они были обнаружены также в молоке, лейкоцитах,

тромбоцитах, а также в тканях, в которых происхо­

дит метаболизм эйкозаноидов (см. с. 333). Простети­

ческой группой является протогем, крторый в отли­ чие от гемовых групп большинства гемопротеинов

весьма слабо связан с апоферментом. В реакции, ка­

тализируемой пероксидазой, перекись водорода вос­

станавливается за счет соединений, выступающих

в качестве доноров электронов, таких, как аскорбат,

хиноны или цитохром с. Реакция, катализируемая

пероксидазой, имеет сложный характер; суммарная

реакция выглядит следующим образом:

Н2О2 + АН2 Пероксидаза.... 2Н2О + А

вэритроцитах глутатионпероксидаза, содержащая

вкачестве простетической группы селен, катализи­

рует разложение Н2О2 и гидроперекисей липидов

восстановленным глутатионом и таким образом за­

щищает липиды мембран и гемоглобин от окисле­

ния перекисями.

Б. Каталаза. Это- гемопротеин, содержащий четыре гемовые группы. Наряду с пероксидазной ак­ тивностью каталаза способна использовать одну

молекулу Н2О2 в качестве донора электронов, а дру­

гую- как окислитель, т. е. акцептор электронов. ln vivo в большинстве случаев каталаза разлагает пер­

оксид водорода

2Н2О2 Каталаза..... 2Н2О + 02

Каталаза имеется в крови, костном мозге. мембра­

нах слизистых оболочек, почках и печени. Ее функ­

кислорода:

Примером служат жел~зосодержащие ферменты го­

могентизатдиоксигеназа и 3-гидроксиантранндsт-дио­

ксигеназа из супернатантной фракuии гомогената печени, а также гемсодержащие ферменты, в частно­ сти L-трнптофандиоксигеназа (триптофанпирролаза)

из печени.

Б. Монооксигеназы (оксидазы со смешанной функ­ цией, гидроксилазы). Эти ферменты катализируют включение в субстрат ТОлько одного из атомов мо­ лекулы кислорода. Другой атом кислорода восста­ навливается до воды; ДЛЯ "Этой цели необходим до­ полнительный донор электронов (косубстрат): "

цией считается разложение перекиси водорода, обра­

зующейся при действии аэробных дегидрогеназ. Во многих тканях, включая и печень, обнаружены ми­ кротельца, перокснсомы, которые богаты аэробны­ ми дегидрогеназами и каталазой. По-видимому. биологически выгодно группировать в одном месте

как ферменты, приводящие к образованию Н,О,. так

и ферменты. разлагающие ее (рис. 12.11). К фермен­

там, обеспечивающим образование Н2О2• помимо пероксисомных ферментов относятся также ми­

тохондриальные и микросомные системы транс­

порта электронов.

Оксигеназы

Оксигеназы не относятся к ферментам, катализи­ рующим реакции. снабжающие клетку энергией; они

участвуют в синтезе и деградации МНОГИХ типов ме­

таболитов. Ферменты этой группы катализируют включение кислорода в молекулу субстрата. Оно происходит в две стадии: 1) кислород связывается с активным центром фермента; 2) происходит реак­

ция, в результате которой связанный кислород вос­

станавливается или переносится на субстрат. Оксиге­

назы подразделяются на две подгруппы.

А. Диоксигеназы (кислород-трансферазы, истин­ ные оксигеназы). Эти ферменты катализируют вклю­ чение в молекулу субстрата обоих атомов молекулы

Микросомные цитохром Р-450-содержащие моно­

оксигеназные системы

Кэтой группе относятся ферменты, участвующие

вметаболизме многих лекарственных веществ путем

их гидроксилирования. Они находятся в микросомах

печени вместе с IlИТОХРОМОМ Р-450 и цитохромом bs• Восстановителями этих цитохромов являются

NADH и NADPH (рис. 12.12); цитохромы окисляю­

тся субстратами в результате серии ферментативных реакций, составляющих так называемый гидрокси­ лазный цикл (рис. 12.1 З):

Лек-Н + 02 + 2Fe2 + + 2Н+ •"идроксилаза.....

(Р-450)

-+ Лек-ОН + Н2О + 2Fe3 +

(Р-450)

(Лек- лекарственное вещество).

К лекарственным веществам, метаболизм которых

идет при участии рассматриваемых систем, относя­

тся бензпирен, аминопирин, анилин, морфин и бен­

зофетамин. Многие лекарственные вещества, напри­ мер фенобарбитал, способны индуцировать синтез

микросомных ферментов и цитохрома Р-450.

Митохондриа.iJьные цитохром Р-450-содержа­

щие монооксигеназные системы

Эти системы находятся в стероидогенных

тканях - в коре надпочечников, в семенниках,

яичниках и плаценте; они участвуют в биосин­

тезе стероидных гормонов из холестерола (гид­

роксилирование по С22 и С2О при отщеплении бо­

ковой цепи и по положениям 11 р и 18). Фермен­

ты почечной системы катализируют гидрокси­ лирование 2S-гидроксихолекальциферола по

положениям 1а и 24; в печени происходит гид­ роксилирование холестерола по положению 26 при биосинтезе желчных кислот. В коре надпо­

чечников содержание митохондриального ци­

тохрома Р-450 в шесть раз выше, чем содержа­

ние цитохромов дыхательной цепи. Моноокси­

геназная система состоит из трех компонентов,

локализованных во внутренней митохондриа­

льной мембране на границе с матриксом: NАDР-специфичного FАD-содержащего фла­ вопротеина, Fe2S2-белка (адренодоксина) и цитохрома Р-450 (рис. 12.14).

время. принимая во внимание, во-первых, то обстоя­

тельство. что кислород в тканях легко восстанавли­

вается в супероксидный анион-радикал (о; ), и, во­

вторых, наличие у аэробных организмов супероксид­

дисмутазы (ее нет у облигатных анаэробов), было

выдвинуто предположение о том, что токсичность

кислорода обусловлена его превращением в суперок­ сид. Однако прямых данных о токсичности суперок­

сид-радикала пока не получено.

Супероксид образуется в ходе одноэлектронного

окисления молекулярным кислородом восстанов­

ленного флавина, например флавина в составе ксан­

тиндегидрогеназы. Он образуется также при од­

126

ВНУТРЕННЯЯ

СНАРУЖИ МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ ВНУТРИ МЕМБРАНА

СТlРОИА

гИАРОКСИСТlРОИА

Глава /2

видимому, защита аэробных организмов от повре­ ждающего действия супероксида. Фермент обнару­

живается в нескольких внутриклеточных компарт­

ментах. Цитозольный фермент состоит из двух сход­

ных субъединиц, содержащих по одному иону Си2 +

И Zn2 +; митохондриальный фермент, так же как и фермент, обнаруженный у бактерий. содержит ион Mn2 + • Это обстоятельство служит еще одним свиде­

тельством в пользу гипотезы о происхождении ми­

тохондрий из прокариот, вступивших в симбиоз с протоэукариотами. Дисмутаза присутствует во всех основных тканях аэробов. Пребывание живот­ ных в атмосфере IOO%-НОго кислорода вызывает

адаптивное повышение содержания дисмутазы, осо­

Супероксид может восстанавливать окисленный

Он удаляется также специфическим ферментом-­ супероксиддисмутазой:

Супероксид­

Bonnetl R. Oxygen activation and tetrapyrroles, Essays Biochem.• 1981, 17. 1.

Ernster L. (ed.) Bioenergetics, EIsevier, 1984.

Fleisher S .. Packer L. (ed.) Biological oxidations, microsomal. cytochrome Р-450, and other hemoprotein systems. In: Methods in Enzymology. Vol. 52, Biomembranes, рап С, Academic Press, 1978.

Friedm'ich 1. Superoxide dismutases. Аппи. Rev. Biochem.,

в этой реакции супероксид выступает одновре­

менно как окислитель и как восстановитель. Хими­

ческое действие супероксида в тканях усиливается

в результате инициирования цепной реакции образо­

вания свободных радикалов. Было высказано пред­ положение, что О-~, связанный с цитохромом Р-450,

является интермедиатом при активации кислорода

в проuессе реакций гидроксилирования (рис. 12.13).

Функцией супероксиддисмутазы является, по-

Salemme F. R. Structure and function of cytochromes с, Аппи. Rev. Biochem., 1977, 46. 299.

Scllenkman J. В.. Jansson 1.. Robie-Suh К. М. The тапу roles of cytochrome bs in hepatic microsomes. Life Sci., 1976. 19,

611.

Tolberl N. Е. Metabolic pathways in pcroxisomes and glyoxysomes. Аппи. Rev. Biochem.• 1981, 50, 133.

Tyler D. D., Sutton С. М. Respiratory enzyme systems in mitochondrial membranes. Page 33. In: Membrane Structure and Function. Vol. 5. Bittar Е. Е. (ed.). Wiley, 1984.

JVhite R. Е.• Сооn М. J. Oxygen activation Ьу cytochrome Р- 450. Аппи. Rev. Biochem., 1980. 49. 315.

ВВЕДЕНИЕ Митохондрии справедливо называют «энергети­

ческими станциями» клетки, поскольку именно

в этих органеллах в основном происходит улавлива­

ние энергии, поставляемой окислительными процес­

сами. Митохондриальную систему сопряжения оки­

слительных процессов с генерацией высокоэнергети­

ческого интермедиата АТР называют окислитель­ ным фосфорилированием.

ментные системы, обеспечивающие образование бо­

льшинства восстановительных эквивалентов; это

ферменты Р-окисления и цикла лимонной кислоты

(последний является общим метаболическим путем

при окислении всех основных пищевых продуктов).

Эти взаимоотношения показаны на рис. 13.1.

ОРГАНИЗАЦИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ

ЦЕПИ В МИТОХОНДРИЯХ

БИОМЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Окислительное фосфорилирование позволяет

аэробным организмам улавливать значительную до­

лю потенциальной свободной энергии окисления

субстратов. Возможное объяснение механизма оки­

слительного фосфорилирования предлагает хемиос­ мотическая теория. Ряд лекарственных веществ (на­ пример, амобарбитал) и ядов (цианид, окись углеро­ да) подавляют окислительное фосфорилирование.

обычно с фатальными последствиями. Окислитель­

ное фосфорилирование является столь жизненно ва­

жным процессом, что нарушение его нормального

хода несовместимо в жизнью. Этим можно объяс­ нить, почему обнаружено лишь небольшое число ге­

нетических нарушений, затрагивающих эту систему.

ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

Вся полезная энергия, высвобождаемая в процес­

се окисления жирных кислот и аминокислот, и почти

вся энергия окисления углеводов используется в ми­

гохондриях в форме восстановительных эквивален­ тов (-Н И~'IИ "Jлектронов). Митохондрии содержат

несколько катализаторов, образующих дыхатель­ ную цепь, которые обеспечивают улавливание

и перенос восстановительных эквивалентов, направ­

ляя их на реакцию с кислородом, приводяшую

К образованию воды. Одновременно функционирует механизм улавливания потенциальной свободной энергии с накоплением ее в форме высокоэнергетиче­ ских фосфатов. Митохондрии содержат также фер-

Главные компоненты дыхательной цепи (рис. 13.2) приведены последовательно в порядке возра­

стания окислительно-восстановительного потенциа­

ла в табл. 12.1. Атомы водорода или электроны

перемещаются· по цепи от более электроотрицатель­

ных компонентов к более электроположительному

кислороду, изменение окислительно-восстанови­

тельного потенциала при переходе от системы

NAD+/NADH к системе 02/Н20 составляет 1.1 В.

Главная дыхательная цепь в митохондриях начи­ нается от NАD-зависимых дегидрогеназ, проходит через флавопротеины и цитохромы и заканчивается молекулярным кислородом. Не все субстраты связа­ ны с дыхательной цепью через NАD-зависимые де­

гидрогеназы; некоторые из них, имеющие относите­

льно высокий окислителыl-восстановительныый по­

тенuиал (например, система фумаратiсукuинат. см.

табл. 12.1), связаны с флавопротеиновыми дегидро­

геназами, которые в свою очередь связаны с цитох­

ромами дыхательной цепи (рис. 13.3).

В последнее время установлено, что в дыхатель­

ной цепи имеется еще один переносчик. связываю­

щий флавопротеины с цитохромом Ь, обладающим

самым низким среди цитохромов окислительно­

восстановительным потенциалом. Этот переносчик, названный уБИХIIНОНОМ или кофермеllТОМ Q (рис. 13.4), в аэробных условиях находится в митохонд­ риях В форме окисленного хинона, а в анаэробных условиях - в восстановленной хинольной форме. Кофермент Q является компонентом митохондриа­ ·льных липидов; среди других липидов преобладают

фосфолипиды ' являющиеся частью митохондриаль­

ной мембраны. Структура кофермента Q сходна со

структурой витаминов К и Е. Близкую структуру

имеет и пластохинон, находящийся в хлоропластах.

Все эти вещества имеют в своей структуре полиизо­ преноидную боковую цепь. Содержание кофермента Q значительно превосходит содержание других ком­ понентов дыхательной цепи (по параметру стехио­ метрии); это позволяет предположить, что кофер­ мент Q является подвижным компонентом дыхате­ льной цепи, который получает восстановительные эквиваленты от фиксированных флавопротеиновых

комплексов и передает их на цитохромы.

Дополнительным компонентом, находящимся в функционально активных препаратах дыхательной

цепи, является железо-серный белок, FeS (негемовое железо). Он ассоциирован с флавопротеинами (ме­ таллофлавопротеинами) и с цитохромом Ь. Железо

исера, как полагают, участвуют в окислительно­

восстановительном процессе, протекающем по од­

ноэлектронному механизму (рис. 13.5).

Современные представления о последовательно­

сти главных компонентов ды ательнойй цепи отраже­

ны на рис. 13.3. На электроотрицательном конце це-

пи дегидрогеназы катализируют перенос электронов

от субстратов на NAD, находящийся в дыхательной цепи. Это происходит по двум путям. В тех случаях, когда субстратами служат а-кетокислоты, пируват и кетоглутарат, в переносе электронов на NAD уча­

ствуют сложные дегидрогеназные системы, содержа­

щие липоат и FАО. Перенос электронов другими де­ гидрогеназами, использующими в качестве субстра­

тов L ( +)-З-гидроксиацил-СоА, D ( - )-3-гидрокси­

бутират, пролин, глутамат, малат и изоцитрат,

происходит прямо на NAD дыхательной цепи. Восстановленный NADH в дыхательной цепи

в свою очередь окисляется металлофлавопротеином

NADH-дегидрогеназоЙ. Этот фермент содержит FeS

и FMN и прочно связан с дыхательной цепью. Ко­

фермент Q служит коллектором восстановительных

эквивалентов, которые· поставляются рядом суб­ стратов через флавопротеиновые дегидрогеназы в ды ательнуюю цепь. К числу этих субстратов отно­ сятся сукцинат, холин, глицерол-3-фосфат, саркозин, диметилглицин и ацил-СоА (рис. 13.3). Флавиновым

компонентом этих дегидрогеназ является, по­

видимому. FAD. Поток электронов от кофермента Q далее идет через ряд цитохромов к молекуляр­ ному кислороду (рис. 13.3). Цитохромы выстрое-

ны в порядке возрастания окислительно-вос-

Рвс. 13.5. Железо-серный центр (Fe.S4) железо-серного бел­

ка. S- "ислотолабильная сера; Pr - апобелок; Cys-

остаток цистеина. Некоторые железо-серные бел"и содер:' жат 2 атома железа и 2 атома серы (Fe2S2).

тохром ааз (цитохромоксидаза) осуществляет конеч­

ную стадию процесса - перенос восст~новительных

эквивалентов на молекулярный кислород. Как уже

упоминалось, эта ферментная система содержит

медь - непременный компонент истинных оксидаз. Цитохромоксидаза имеет очень высокое сродство к кислороду, что позволяет дыхательной цепи функ­

ционировать с максимальной скоростью до тех пор,

пока в ткани не будет практически исчерпан 02. Эта

катализируемая цитохромоксидазой реакция являе­ тся необратимой; она определяет направление дви­

жения восстановительных эквивалентов в дыхатель­

ной цепи, с которым сопряжено образование АТР.

В отношении структурной орrанизации дыхате­ льной цепи был выдвинут ряд предположений. Су­

щественно то, что молярные соотношения между

компонентами являются почти постоянными. Функ­

ционирующие компоненты дыхательной цепи

встроены во внутреннюю митохондриальную мем-