Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

Сущность ее сводится к тому, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается в момент их взаимодействия

друг с другом, что может быть выражено формулой «перчатка-рука». При

этом в субстрате уже деформируются некоторые валентные связи и он, таким·

образом, подготавливается к дальнейшему каталитическому видоизменению,

а в молекуле фермента происходят конформационные перестройки. Гипотеза Кошланда, основанная на допущении mбкости активного центра фермента. удовлетворительно объясняла активирование и интибирование действия фер­

ментов и регуляцию их активности при воздействии различных факторов.

В частности, конформаци:онные перестройки в ферменте в процессе изменения

его активности Д. Кошланд сравнивал с колебаниями паутины, когда в нее

попала добыча (субстрат), подчеркивая этим крайнюю лабильность структуры

фермента в процессе каталитического акта. . В настоящее время гипотеза Кошланда постепенно вьпесняется гипотезой

топохимического сооmетствии. Сохраняя основные положения гипотезы взаимо­ ИНдУЦИрованной настройки субстрата и фермента, она фиксирует внимание на том, что специфичность действия ферментов объясняется в первую очередЬ узнаванием той части субстрата, которая не изменяется при катализе. Между

этой частью субстрата и субстратным центром фермента возникают многочис­

ленные точечные mдрофобные взаимодействия и водородные связи.

Несомненно, что специфичность ферментов объясняется в первую очередь совпадением пространственных конфигураций субстрата и субстратного центра фермента. Видимо, только тогда, когда совпадение это достаточно полно,

может образоваться фермент-субстратный комплекс и, следовательно, начаться

процесс ферментативного катализа. Выяснение третичной структуры некоторых белков-ферментов полностью оправдало такую точку зрения. ThIC, в молехуле лизоцима (фермент, УСКорЯЮIЦИй гидролиз глихозидных связей в полисахаридах

клеточной стеши бактерий) обнаружена BыeМlCa (щель) (см. рис. 34) для присое­

динения субстрата. В эту выемку плотно входит участок молеI<УЛЫ субстрата

протяженностью ровно в шесть звеньев:

		NH
I	Н	I
		н]с-со

соон

Остаток Остаток

N-ацетил­ N-8цетил­ rЛЮКОJaМина муР·миновоil

кислоты

Остальная часть молехулы субстрата, состоящая из нескольких сотен остатков

аминосахаров или их производных, остается свободной. Не только общая форма

щели в молехуле лизоцима соответствует параметрам входящего в нее участка

субстрата, но и расположение отдельных аминокислотных радикалов в субстратом

центре этого фермента совершенно точно согласуется с размещением определенных

атомов и атомных групп в молекуле субстрата. Именно за счет указанных

радикалов и групп замыкаются водородные связи между ЛИЗОЦИМОМ И полисахари­

дом в процессе становления фермент-субстратного комплекса (табл. 11).

110

Таблица 11

Миоготочечиое взаимодействие фрагмеита молеКУJlЫ полисахарида

клеточной стеики бактерии с ли:юцимом

БУКlle1lНые оБОЭН8ЧСНН.			Число свиэе!! и слабых вэанмоде!!ствнl!		ЭнерПlИ 8ССоцнаllllR.
полнсахаридиых 38Снье8			водородных	Ван-дер-Ваальса	кд./моль
А		I	1	7	7,5-9,6
В			1	11	11,7-16,3
С			4	30	19,6-23,8
D			2	35	12,1-25,0
Е			3	45	3,8-16,7
F			4	13	6,3-21,0
Одновременно	против		радикалов	каталитического	центра (остатlCИ глу

и асn, занимающие в полипептидной цепи лизоцима 35-е и 52-е положения соответственно) устанавливается гликозидная связь, расположенная между кольцами D и Е субстрата, и наступает каталитический акт:

АСПS2

!O~'+ ~уи

'-"\,ИзС и

',_tOOH ..."

-----_..--

и

	АСПS2
	I	ИзС и	7	И
	СООН

Jоои ИзС-СО

		,	Глу]s
	О····		I
		ИООС
\	И2ОИ	I
\		I
	'.......... _----.,...,/

и

ГЛУЭ5

I

'ООС

Приведенная схема еще раз иллюстрирует механизм ферментативного ка­

тализа.

Детальное изучение специфичности ферментов показало, что пределы ее

у разных ферментов различны. Одни ферменты обладают абсолютной специ­

фичностью, т_ е_ каталитически ускоряют одну-единственную реаIЩИЮ_ Приме­

ром такого фермента может служить уреаза. Другие ферменты осуществляют

катализ реакций определенного типа независимо от того, КaICие KOНICpeтHыe

вещества в них взаимодействуют или распадаются_ Основным признаком ДЛЯ

ферментов этого типа является характер разрушаемой или создаваемой связи_ Такие ферменты характеризуются, следовательно. групповой специфичностью.

Некоторые ферменты отличаются стереохимической специфичностью, т_е_ дей­ ствуют толь'l(О на один из пространетвенных изомеров Примером могут

СЛ}'ЖIР'Ь уже упомина.вшиеся выш(> ферменты, раСЩ(>IIляющие а- и J3-метилг­

люкозиды_ .

Влияние на ферменты активаторов и IIIIГIIбиторов впервые было обнаружено

при изучении активаторов (стимулин) и ингибиторов (антиферменты) А. Я. Данилевским с сотр. еще в прошлом столетии. К числу агентов, повыша­

ющих aKmBHoCТb ферментов, относятся ионы многих металлов и некоторые

анионы. Особенно часто активаторами ферментов бывают Mg2+, Мп2 +, Zn2 +. К+ и Со2 +. а из анионов-Сl-. В одних случаях ионыI металлов входят

111

е ~

~8IПL~

ак с

	~")	,(D		aJI ферменm-суНсmратНl,Iu.
а к	h	Ш'8
	~	к	с L		комплексне05розuеmс'l
8	-т cyffcmpom		~ DЛЛОС"J,'Jf~;:ский ,тиму-
	IIII!IKOHKypeHmHhlU.		•	оллостеРlJчеСlfui1 унги-
	~ uзостеР.U,/8СКUU		Р		Ьитор

UH8UiJUmOP

Рис. 51. Активирование и ингибирова­ ние действия фермента:

а-аллостерический центр фермента; /С-каталити­ ческий центр фермента; с-субстратный центр фер­ мента; 1 - взаимодействие фермента с субстратом; ПОЛНОГО совпадеНИJi конфигураций субстратного центра фермента и субстрата нет, 8CJJeдcТВ"" чего нет тесНОГО контакта между ферментом и субстра­ том; активность фермента далека от максимума; ll-B реэультате взаимодеЙCТIIИ. фермента с алло­ стернчесхим стнмуmпором каталитичеспй центр

сбли.аетс. с субстратным, причем послioдивll ПР.­

обретает форму, полностью совпадающую с т.ако­ ВОЙ субстрата; вследствне этого образуется полно­ цеlпlый фермент~бстратный комплекс; активность ijJepMema максимальна; lll-взаимодеЙCТllие фер­ мента с алластерическим ниrибнтором СОПРОВО>ICДа­ е1СЯ деформацией субстратного центра, к которому становите. невоэмоЖНLIЫ присоедивеиие субстрата; фермент не про.влиет апианости; 11'-к субстрат­ ному центру фермента приcoeдRUетс. конкурент· ный ингибнтор; апивнасть фермента подавлена, та" DJ: образование фермент-субстраТИОГQ KOМIUIOК-

са невОЗМОЖНО

в состав простетической группы фермента, в других-облегчают образование

фермент-субстратного КОМIIЛекса, в третьих-способствуют присоединению

кофермента к апоферменту, в четвертых-обеспечивают становление чет­

верТИЧНОЙ структуры фермента или же действуют иными путями. Как

выяснено в последнее время, мощное действие на ферменты оказывают

аллостерические активаторы. Они присоединяются по аллостерическому

центру фермента и изменяют третичную структуру белковой молекулы.

В результате этого субстратный и каталитический центры фермента при­

обретают наиболее выгодную для осуществления своих функций конфи­

гурацию (рис. 51, П).

Ингибиторы тормозят действие ферментов. Механизм ингибирующего действия разнообразен, но в большинстве сводится к двум типам торможения: необратимому и обратимому. При необратимом торможении ингибитор, обладающий структурным сходством (изостерией) с субстратом, соединяется

с ферментом, подменяя собой субстрат. Наиболее ярким примером такого

типа торможения является угнетение действия холинэстеразы при помощи

диизоnpоnилфторфосфата, который структурно весьма близок к ацетилхолину

и, являясь псевдосубстратом, легко npисоединяется вместо него к ферменту:

Диизопропилфторфосфат блокирует активный центр хо,линэстеразы, фос­

форилируя радикал серина (см. рис. 47). Так как образовавшийся диизо­ npопилфосфосерин гораздо 'npочнее ацетилсерина и распадается очень медлен­ но, активный центр фермента надолго выводится из строя. Это и аналогичные

ему соединения образуют большую группу так называемых нервных ядов, ибо,

npиостанавливая гидролиз ацетилхолина, они резко нарушают деятельность

нервной системы. Среди них широко известны многочисленные инсектициды

и боевые отравляющие вещества.

При необратимом ингибировании фермента ингибитор может не обладать

структурным сходством с субстратом, т. е. может модифицировать фермент

вне его активного центра, тем не менее резко изменяя каталитическую актив-

112

ность последнего вследствие нарушения конформации как фермента в целом. так и его активного центра. Это происходит. например. при алкилировании сульфгидрильных групп фермента:

Фермеит	Иодацетамид (IIJШI-	АлКllЛllpованный по
	лврующий мент)	НS·rpупппам фермент

Недавно обнаружены необратимые инактиваторы ферментов. возникаю­

щие из инертных соединений после их взаимодействия с каталитическим центром фермента, например:

R-C==C-CH2-CO-R'-R-CH=C=CH-CO-R'

Инертное соединение

Необратимый нпгпбитор

Присоединяясь к активному центру фермента, такой необратимый ингибитор, возникший в процессе ферментативного катализа, соединяется с активным

центром фермента и полностью его блокирует. Поэтому эти ингибиторы образно называют ингибиторами типа «самоубийц».

Обратимое ннгибирование действия ферментов может быть конкурентным и неконкурентным. Классическим примером конкурентного ингибирования ферментативной активности является торможение действия дегидрогеназы янтарной кислоты дикарбоновыми кислотами (малоновая, глутаровая), близ­

кими по структуре к янтарной кислоте: между ними идет конкуренция за

связывание в активном центре фермента.

При иекоикурентвом торможении ингибитор взаимодействует с апофермен­ том или простетической группой, вследствие чего фермент теряет активность. Одним из вариантов такого торможения может служить блокирование фер­

ментов тяжелыми металлами (ртуть, мышьяк, свинец и др., которые присое­

диняются к сульфгидрильным группам ПОЛИ!1ептидной цепи), солями синиль­ ной кислоты, оксидом углерода (11) и др. (присоединяются к железосодер­

жащим простетическим группам и т. п.). В качестве другого варианта

неконкурентного торможения действия фермента следует отметить аллостери­

ческое ингибирование (см. рис. 51, /V).

Специфическую группу ингибиторов ферментов, которой уделяют ОГРОМ­

ное внимание в последние годы, составляют ингибиторы беJll(ОВОЙ "рироды.

Они блокируют действие фермента за счет белок-белковых взаимодействий, в результате чего закрывается акт~вный центр фермента. Особенно энергично

белковые ингибиторы регулируют деятельность протеиназ клетки, что сильно сказывается на регуляции обмена веществ в целом, поскольку под воздействи­

ем ингибиторов протеиназ тормозится переход проферментов в ферменты,

отщепление сиmальных пептидов и других пептидных фрагментов при созре­ вании белков, блокируются реакции протеолиза, ведущие к образованию

биологически активных пептидов (гормоны пептидной природы, рилизинг­

факторы и т. п.-см. гл. ХII). Так, например, ингибитор белковой природы­ CXl-антитрипсин (гликопротейн с М = 52000, получаемый методом генетиче­

ской инженерии из пекарских дрожжей), нашел применение для лечения эм­

физемы (частичного распада) легких, так как он блокирует действие эластазы,

вьщеляемой в норме нейтрофилами легочной ткани (рис. 52). От 2 до 4 грам­

мов CXl-антитрипсина достаточно для заместительной терапии при эмфиземе легких, развивающейся в результате курения.

Учение об активаторах и ингибиторах ферментов в настоящее время слива­ ется с более nm:роким и общим вопросом о регуляции действия ферментов

113

Рис. 52. сх-Антитрипсин и его роль в поддер-

жании целостности легочной ткани

в норме в лen:Rх ДССТpyl<Тllрующее действие эластазы. выде­ л.емоЙ иеllтрофиnами. блокируется а ,-антитрипсином. при­ hОСИМЫМ током ICPOВJI В составе а,-глобулииа. Курение вы­

ЗЫIl8CТ УDallllЧевие 'IIIcnа и апивиости неilтрофилов и. J<U следствие ЭТОГО, усиление действии эластаэы и падение эла­ СТИЧНОСТИ пerочиоll ткани (отмечено пунnиром прн ее изоб­ ражении на рисунке). К тому ... продукты сгорани~ табака понижают JlШибирующие свойства (ll-антитриncина. I(ОТО­ pwll следовало бы иазываn 8ИТИЭЛ8СТВ30Й. так ки ои ин-

mбирует эластвзу cиnьиее. чем,ТРИI\CИН

I	...				~
	'Jf'			"	курения
Эластаза	HzO:z				Влияние
~~+
	"":",,,~.....				Легочная
	-.' "0
	~.,. ..--.	)			ТlCaНЬ
	,1 J		'"
	".л., .....
~ ...... ..

в целом. В частности, установлено, что конечный, а иногда и npомежуточный

продукт многостадИЙНОГО процесса биосинтеза может служить аллостериче­ ским ингибитором одной из первых его реакций (см., например, ретроин­ гибирование биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов-гл. XIII).

НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ

Ферментология очень долго не располагала строго научной номенклатурой

ферментов. Наименования ферментам давали по случайным признакам (три­

виальная номенклатура), по названию субстрата (рациональная), по химичес­

кому составу фермента и, наконец, по типу катализируемой реакции и харак­

теру субстрата.

Примерами тривиальной номенклатуры могут служить названия таких фер­ ментов, как пепсин (от греч. nencuс-пищеварение), трипсин (от греч. mрu­ nсuс-разжижаю) и папаин (от названия дынного дерева Carica papaja, из сока

которого он вьщелен). По действию все эти ферменты являются npотеолитиче­ схими, т. е. ускоряют гидролиз протеинов (белков). Характерное название

было дано группе окрашенных внутриклеточных ферментов, ускоряющих ОКИСJШтельно-восстановительные реакции В клетке,-цитохромы (от лат. сitоs-клетка и сhrоmа-цвет).

. Наибольшее распространение получила рациональная номенклатура, со­

гласно которой название фермента составляется из названия субстрата и ха­

рактерного окончания -аза. Она была npедложена более столетия тому назад,

~ 1883 Г., Э. Дюкло-учеником Л. Пастера. Так, фермент, усхоряющий реак­

цию гидролиза крахмала, получил название амилаза (от греч. амuлон-крах­

мал), гидролиза жиров-липаза (от греч. лunос-жир), белков (протеинов)­ npотеаза, мочевинь{-уреаза (от греч. уреа-мочевина) и т. п.

Когда методами аналитической химии были достигнуты известные успехи в расшифровке химической природы простетических групп, во~никла новая номенклатура ферментов Их стали именовать по названию ПРОСТt>тич(,('кой

группы, например геминфермент (простетическая группа -гем), пиридоксаль­

фермент (npостетическая группа-пиридоксаль) и т. п.

Затем в названии фермента стали указывать как на характер субстрата, так

и на тШI катализируемой реакции. Например, фермент, отнимающий водород

от молекулы янтарной кислоты, называют сукцинатдегидрогеназой, подчер­

кивая этим одновременно и химическую природу субстрата, и отнятие атомов

водорода в процессе ферментативного действия:

114

-2Н

НООС-СН2-СН2-СООН-НООС-СН=СН-СООН

Янтарная кислота

Деmдрнрованне

(QСIdшn "",c/nicuт)

в 1961 г. Международная комиссия по номенклатуре ферментов пред­ ставила V Международному биохимическому конгрессу проект номе­

нклатуры, построенный на строго научных принципах 1. Проект был

утвержден конгрессом, и новая номенклатура прочно вошла в фермен­ тологию. Согласно этой (Московской) номенклатуре название фермента составляют из химического названия субстрата и названия той реакции, которая осуществляется ферментом. Если химическая реакция, ускоряемая

ферментом, сопровождается переносом группировки атомов от субстрата

к акцептору, название фермента включает также химическое наимеиование

акцептора.

Например, пиридоксальфермент, катализирующий реакцию переаминиро­

вания между L-аланином и сх-кетоглутаровой кислотой, называется L-аланин:

2-0ксоглутарат аминотрансфераза:

	. соои		СИ]	СООН
СИ]	I	\	I	I
I	(СИz)z	-	со +	(CHz)z
и- C-NНz+ I			I	I
I	СО		соои	H-C-NH2
COQН	I			I
	СООН			СООН
L-аланнн	2-0li:соrлута-		Пировино- L-rлутаминован
(субстрат)	роваи mслота		rpаднан	кислота
	(IX-кетоrлута­		mслота
	рован)

в этом названии отмечены сразу три особенности: 1) субстратом является

L-аланин; 2) акцептором служит 2-0ксоглутаровая кислота; З) от субстрата

к акцетору передается аминогруппа.

Названия ферментов по научной номенклатуре неизмеримо вынгывютT

в ТО'IRости, но становятся в ряде случаев гораздо сложнее старых, тривиаль­

ных. Так уреаза (тривиальное название), ускоряющая реакцию гидролиза мочевины на оксид углерода (IV) и аммиак, по научной номенклатуре имену­ ется карбамид-аМИДоГидРолазой:

H 2N-CO-NH2 +H2O-2NНз+СО2

В этом названии дано точное химическое наименование субстрата и указано, что фермент катализирует реакцию гидролиза амидогруппы. Трегалаза, уско­

ряющая реакцию гидролиза трегалозы, называется трегалоза-l-глюкогид-

ролазой. .

В связи со значительным усложнением научных названий в новой номенк­ латуре допускается сохранение наряду с новыми старых тривиальных, рабочих

названий ферментов. Международной комиссией был составлен детальный

список всех известных в то время ферментов, существенно дополненный в 1972 г. при пересмотре как классификации, так и номенклатуры некоторых ферментов, где рядом с новым научным названием каждого фермента приве­

дено	старое, а также указан химизм катализируемой ферментом реакции
I	Коиrресс проходил в Москве 10-16 aBrycтa 1961 Г_

115

и в некоторых случаях природа фермента. Таким образом, исключается воз­

можность путаницы в наименовании фермента. В 1964 г. список включал 874

фермента; в последующее время он был существенно дополнен и возрос до

1770 ферментов в 1972 г. и до 2003 ферментов в 1979 г.

Каждому ферменту в указанном списке присвоен индивидуальный номер (шифр). Например, шифр уреазы выражается цифрами 3.5.1.5. Это означает, что уреаза относится к 3-му классу (первая цифра) ферментов, все представи­

тели которого катaJmзируют реакции гидролиза. Вторая цифра (5) говорит

о том, что уреаза принадлежит к 5-му подклассу этого класса, куда зачислены все ферменты, ускоряющие гидролиз С-N-связей, не являющихся пептид­

пыми. Третья цифра шифра (1) указывает на принадлежность уреазы к подпод­

классу 5-го подкласса, члены которого ускоряют гидролиз линейных амидов,

а последняя цифра (5)-порядк:овый номер уреазы в этом подпод­

классе.

Упоминавшаяся ранее лактатдегидрогенеза имеет шифр 1.1.1.27, т. е.

относится к l-му классу ферментов (оксидоредуктазы), к l-му подклассу (оксидоредуктазы, действующие на СН-ОН-группировки в качестве до­

норов атомов' водорода), к l-му ПОДIIодклассу (акцептором атомов

водорода служит никотинамидадениндинуклеотид-см. о нем ниже в этой

главе) и занимает 27-е место в перечне ферментов упомянутого под­

подкласса. Thким образом, шифр абсолютно точно указывает место

фермента в общем списке. В настоящее время принято в научных

публикациях при первом упоминании фермента указывать в скобках

его шифр.

В дальнейшем при рассмотрении классификации и отдельных представи­

телей ферментов мы будем пользоваться как научными (систематическими), так и тривиальными (рабочими) названиями.

КЛАССИФИКАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ И ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОТОРЫХ ГРУПП

.

По первой в истории изучения ферментов классификации их делили на две

группы: rидролазы, ускоряющие гидролитические реакции, идеемолазы,

ускоряющие реакции негидролитического распада. Затем была сделана по­

пытка разбить ферменты на классы по числу субстратов, участвующих

вреакции. В соответствии с этим ферменты классифицировали на три группы. 1. Катализирующие превращения двух субстратов одновременно

вобоих направлениях: A+B~C+D. 2. Ускоряющие превращения двух суб­ стратов в прямой реакции и одного в обратной: A+B~C. 3. Обеспечиваю­

щие каталитическое видоизменение одного субстрата как в прямой, так

и в обратной реакции: A~B.

Одновременно развивалось направление, где в основу классификации фер­ ментов был положен тип реакции, подвергающейся каталитическому воздей­

ствию. Наряду с ферментами, ускоряющими реакции гидролиза (гидролазы), были изучены ферменты, участвующие в реакциях переноса атомов и атомных

групп (феразы), в изомеризации (изомеразы), расщеплении (лиазы), различных синтезах (синтетазы) и т. Д. Это направление в классификации ферментов оказалось наиболее плодотворным, так как объединяло ферменты в группы не

по надуманным, формальным признакам, а по типу важнейших биохимиче­

ских процессов, лежащих в основе жизнедеятельности любого организма. По

этому принципу все ферменты делят на 6 классов.

116

t. ОКСRДоредуктазы-ускоряют реакции окисления- восстановления.

2. Трансферазы--ускоряют реакции переноса функциональных групп и моле­ кулярных остатков. з. IИдролазы-ускоряют реакции гидролитического рас­

пада. 4. Лиазы-ускоряют негидролитическое отщепление от субстратов

определенных групп атомов с образованием двойной связи (или присоединя­

ют группы атомов по двойной связи). 5. Изомеразы-ускоряют простран­ ственные или структурные перестройки в пределах одной молекулы. 6. Лиrазы- ускоряют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых энер­

гией связей. Эти классы и положены в основу новой научной классификации

ферментов.

t. Оксндоредуктазы. К классу оксидоредуктаз относят ферменты, катали­ зирующие реакции окислеЮlЯ- восстановлеЮlЯ. Общая схема их может быть представлена следующим образом:

Субстрат+акцептор . OI:с:идореnYП838 ' Субстрат + Акцептор восста·

окисленный новленный

ОкислеЮlе протекает как процесс отнятия атомов Н (электронов) от суб­

страта, а восстановлеЮlе-как присоединеЮlе атомов Н (электронов) к акцеп­

тору. Если обозначить акцептор бyicвой А, а субстрат-В, то уравнеЮlе

реакции окисления-восстановлеЮlЯ при участии оксидоредуктаз примет та­

кой вид:

ВН2+ А_. OI:cвдоpenyпаЗ8 I В+ АН2

Характерной особенностью деятельности оксидоредуктаз в живой клетке

является их способность образовывать системы (так называемые цепи окисли­

тельно-восстановительных ферментов), в которых осуществляется многосту­

пенчатый перенос атомов водорода или электронов от первичного субстрата

к конечному акцептору, которым является, как правило, кислород,-так что

в результате образуется вода.

Те оксидоредуктазы, которые переносят атомы Н или электроны непосред­

ственно на кислородные атомы, носят название аэробных дегидрогеnаз или оксидаз. В отличие от них оксидоредуктазы, переносящие атомы Н и электро­ ны от одного компонента окислительной цепи ферменч)в к другому без

передачи их на кислородные атомы называют анаэробными дегидрогеназами

или редуктазамв.

Если фермент катализирует реакцию отнятия Н непосредственно от окисляемого вещества (первичного субстрата), то его называют "ервнчной дегидрогеназоЙ. Если фермент ускоряет снятие водородных атомов со вто­

ричного субстрата, который получил атомы Н при посредстве первичной

дегидрогеназы (вторичным субстратом может быть кофермент самой пер­

вичной оксидоредуктазы), его называют вторичной дегидрогеназой (см.

гл. Х).

Другая особенность оксидоредуктаз состоит в том, что, будучи двухком­

понентными ферментами с весьма ограЮlченным набором активных групп (коферментов), они способны ускорять большое число самых разнообразных окислителъно-весстановительных реакций. Это достигается за счет того, что

един и тот же кофермент способен соединяться со многими апоферментами, образуя каждый раз оксидоредуктазу, специфичную по отношению к тому или

иному субстрату или акцептору.

Еще .одна, пожалуй, главная особенность оксидоредуктаз заключается

в том, что ОНИ ускоряют протекание химических процессов, связанных

117

с высвобождеЮlем энергии. Последняя используется как для обеспечения

синтетических процессов в оргаЮlзме, так и для других нужд.

В -природных объектах обнаружено около пятисот индивидуальных ок­

сидоредуктаз. Наиболее распространены оксидоредуктазы, содержащие в ка­

честве активной группы никотинамидадениндинуклеотид, или НАД+ (о строе­

нии пуклеотидов см. гл. VI):

							NН2
						ctJ
				O_CНz~NN
		+Н·	•			Н	Н
						Н	Н
но-р""о						он	ОН
	CJrI			но-р=о
I				I		O
О		~O		ОI			НаН ~о
I	~
НО-Р=О		с,		HO-r-			I I C'NНa
I	~~	NН2
O~				O-P;0;J
					H~8
ОН	он					он	он

Более половцны известных в настоящее время оксидоредуктаз содержат

НАД+ в :качестве кофермента. Соединяясь с тем или иным специфическим

белком и образуя таким образом двухкомпонентный фермент. 1Соторый

сокращенно называют пиридинпротеином, НАД+ резко усиливает свою

способность восстанавливаться по ядру Юlкоmнамида. В результате пиридин­

протеины способны отнимать от субстратов (спирты, альдегиды, дикарбо­

новые и кетокислоты, амины и др.) атомы Н в виде гидрид-ионов (Н-)

JI протонов (Н+), окисляя, таким образом. указанные соединения. Все пири­

динпротеины являются анаэробными дегидрогеназами, т. е. не передают

снятые С субстрата атомы водорода на кислород, а посылают ИХ на БJIИжай­

ший в окислительной цепи другой фермент.

Рассмотрим строеЮlе и мехаЮlЗМ действия одного из пиридинпротеинов­

алкОГОJIЬдегидрогеназы из печеЮl живоmых. Это белок с М =73 000, состоя­

щий из двух субъединиц, каждая из которых несет молекулу НАД+ и атом Zn.

В процессе отняmя атомов Н от спирта образуется тройной апофермент­

кофермепт-субстратный комплекс, удерживаемый Zn2 +. Строение этого ком­

плекса и механизм реакции окисления спирта в альдегид представлены на

рис. 53. Непосредственно к никотинамидадениндипуклеотиду от молеI<УЛЫ

спирта переходит один атом водорода в виде гидридного иопа (Н-), т. е.

атома водорода, несущего дополнительный электрон. Второй атом водорода, отнимаемый от молекулы спирта, наоборот, теряет электрон, превращаясь

в протон (Н+), и поступает в реакционную среду. Поэтому уравнеЮlе реакции

оmслеЮlЯ спирта при участии НАД+ записывают так:

118

1

	~
	~Н2П			I
I~.. -						JI
I H,N ··········f·...•...,
o-p-o~+,				., :	HN
I		"'!!-А'-[IiJ?			\	11
		~Et-сн-снз hN...lL-СН2
о-р-о-			........С,		~O
			- "'.....Н
ОI	"		нс	С;::-С	.....NH2
		2	11	I
"			........+,N		-
			нс	сн
	СН			••••••••••••• S
	~

он он

Рис. 53. Механизм действии алкоrольдегидроrеназы

НАД+ удерживает« на повеРХНОСТ8 бел"овой молекулы СВ.ЗIlМИ, вознmcаlOlЦllМИ между положительно зар_енным атомом азота

пиридинового цк""а и отрицательно зароенным атомом сеРЫ (из HS·rpYnnbl), а та""'е между атомами азота пуринового цикла

и атомом серы через посредство Zn2 ' • Молекула спирта присоедин"етси 1< art1Iвному центру фермента за счет I<ООРДИНационной св.зи между атомом О и Zn2+. Каталитическую функцию в пet'"иосе атомов водорода от молекулы спирта 1< НАД' выnоли.ет имидазольный paдиl<ал гистидина. К пиридиновому IIJIPY НАД+ присоеднииетси атом водорода, ранее находившиЙс. в св"зи

с атомом углерода, несущим спиртовую rpynny. Атом водорода спиртовой труппы протонируетс. (/). Присоедниение НАД+

1< аоофермепту происходит по IfYJ:Jlсотидсвизывающему Домеиу (//), составленному из lI<nиpалей и Р<лоев. Струпура lfYJ:Jleoтllд­

сви3ыающегоo домена близ"а у всех НАД-зависимых дегидрогеназ; " ннжней части Домеиа (Р-т""", А, В и С) ПРИСОeдНИJlCТCи

фрагмент АМФ, а" верхиеll (fJ-тижи D, Е и F)-фрагмент никотннами.црибозофосфата молекулы НАД'

в любом случае НАД+ получает два электрона за счет присоединения гид­

ридного иона (Н-).

Кроме НАД+ пиридинферменты содержат в качестве кофермента ВИКОТII­

намидадеllllllДllllYКлеотидфосфат (НАДФ+). Этот кофермент является произ­

водным НАД+, У которого водород ОН-группы 2-го углеродного атома

рибозы аденозина замещен на остаток фосфорной кислоты.

НАДФ+, соеДИJlЯЯсь со специфическими белками, образует большую rpynny

пиридинпротеинов, характеризующуюся своим набором субстратов. Механизм

окисления при участии НАДФ+ в качестве кофермента аналогичен таковому при посредстве НАД+. Более того, НАДН и НАДФ+, равно как НАДФН и НАДТ, при каталитическом участии специального фермента-трaнcrвдpoге­

назы-способны обмениваться атомами водорода и электронами:

	НАД (Ф)+-
НАДФН+ НАД+ ,	'НАДФ++НАДН

ТР'IIIСГИДРОгеназа

Партнером восстановленных форм пиридинпротеинов в оксидоредуктаз­ ной цепи, как правило, служат флавопротеины (ФП). Таким флавопротеином, например, является фермент, несущий в качестве активной группы фосфорили­ рованный витамин В2• Окисленная форма этого флавопротеина (М=52000)

окрашена. Каждая молекула фермента несет молекулу рибофлавннфосфата (или флавинмононуклеотида, ФМН), способного принимать и отдавать два атома Н по атомам N изоаллоксазинового кольца:

119