Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

	ОН						ОН
	/						/
	CH~O-P=O			~~O-P, О
	Н-{-ОН 'ОН		H-f-он				ОН
	H-~-OH		Н-С-ОН
	H~-OH		Н-{-ОН
	~H2		СН2			Н
H3CVj(~~~f		:2H~ H3Cyy~X)~yo
	~Io..& 4 3NH	-2Н	М	7	I		Н
НзС	N	НзС
	о			Н		о
Окр_шенная форма		Бесцвt'ТН_Я форма
	(ОКНСJlенная)	(ВОССТ_НОВJI~НН_Я)

Другим коферментом в флавопротеинах является флавивадеllllИДlПlYКЛео­ тид (ФАД):

ФJlавнн_nеНННJ\ННУКJlеотнn (фдд)

ФМН и ФАД, соединяясь с различными апоферментами, дают начало

приблизительно тридцати флавопротеинам, отличающимся различной специ:,

фичностью по отношению к субстратам.

Основная функция флавопротеинов-перенос электронов (атомов Н) от

восстановленных пиридинпротеинов к другим компонентам окислительно­

восстановительной цепи, т. е. ФП в большинстве случаев являются вторич­ ными дегидрогеназами. Однако некоторые флавопротеины, особенно с ФАД в качестве кофермента, могут непосредственно снимать атом Н с субстрата.

Коферментами оксидоредуктаз являются также хивовы. Так, соединяясь

с белком, убихиноны образуют уБИХВRонnротеин, являющийся важной состав­ ной частью ансамблей оксидоредуктаз, при посредстве которых осуществля­

ется перенос атомов Н и электронов.

Убихиноны являются производными бензохинона и обладают боковой цепью, составлеШIОЙ из большого числа изопреноидных остатков:

~~')y'[~https://studfile.net/]н

I n	н нz 11
Нзс.-о.......с....rс......СН3	па;~=.
О
0I:'rWr0&~
1IeН3O_

120

Число изопреноидных фрагментов в боковой цепи (n) колеблется от 6 до 10.

Установлено, что убихиноны принимают участие в окислительно-восстано­ вительных процессах в организме, осуществляя передачу атомов Н:

нэс-о	сиз		+211
	2	2	..	•
	[СН -СН=С-СН - ] IIН -211

I

осиз

ОН

+211

... •

-211

в растениях зrу функцию выполняет похожее на убихинон соединение­

плаСТОХИRОИ:

JInacтoxинок

Наиболее сложный, но и самый распространенный вариант окислительно­

восстановительного процесса в lCЛетке состоит в окислении атомов Н, снятых

с субстрата, ,при посредстве цитохромвой системы.

Цитохромную систему образуют несколько оксидоредуктаз, имеющих в ка­ честве простетических групп железопорфирины (рис. 54). Еще в 1915 г., двадца­

тью годами ранее о. Варбурга, на возможную роль железосодержащих белков

в биологическом окислении обратили внимание А. я. Данилевский и Б. п. Соловцов. Соединяясь С белками различного строения, железопорфирины 4 типов (А, В, С и D) дают на~ало семейству хромопротеинов, объедИНЯемых под

общим названием-цитохромы. Сейчас известно несколько десятков цитохро­ мов, и список их непрерывно пополняется. Каждый ИНдивидуальный цитохром

обозначают строчной латинской буквой а, Ь, с и d с соответствующим порядко­ Bым индексом, например Ь1• Ь2, Ьэ и т.д., а lCЛасс цитохрома-прописной латинской буквой А, В, С или D. Принадлежность цитохрома к определенному

классу определяется строением простетической группы (железопорфирина),

а окончательная индивидуальность-строением апофермента (белка). В послед­

нее время предпочитают наРЯду с порядковым номером цитохрома указывать

характерную длину волны, при которой отмечается поглощение в видимой части

спектра (например, цитохром Ь6 или Ьs6э, найденный в хлоропластах, и т. п.).

Первичная структура РЯда ЦИтохромов выяснена: оказалось, что их видо­

вая специфичность связана с небольшими различиями в чередовании амино­

кислот. Эти данные принципиально важны для понимания природы видовой

и иной специфичности ферментов: видимо, она определяется различиями

121

Рис. 54. Строение цитохрома с из сердечной мышцы лошади

Простетnесus группа цвтохрома с npeДСТВВJIева "'lЩeЗOпорфИРIIIIОМ (с атомо.. Fe1+ 8 цеитре). Сваз. его с белком ОСУЩССТВЛR­

етс. за C'lCТ 8З&IIМодействии вивильиых радикалов reмa с НS-группамн l4-ro в 17-го OCТ8TIC08 цвстенна ПОJIIПICПТВдноlI цепи.

AмIIвоrpyпna N-lCоиnевого ГЛВЦН8а ацетилвроаава. На объемноll модели ЦВ1'Охрома С цифрами ухвзaвw номера aМllllolCRcnoTIIWX

остатков, lcIIждый нз ICOTOPblX так_е представлен просгранственной струхтуроl

прежде всего в первичной структуре апоферментов. Цитохромы Ь 1, Ь2,

Ьз И т.д., содержащие одну и ту же простетическую группу, отличаются друг

от друга именно по этому признаку.

На рис. 54 приведена структура цитохрома с из сердца лошади. Молеку­

лярная масса цитохрома с невелика-порядка 13000. При увеличении в 1 млн.

300 тыс. раз (электронная микроскопия) видно, что полипеПТИДная цепь цито-

122

хрома с свернута в ос-спираль ДЛИНОЙ в 12-15 нм, которая, в свою очередь,

закручена в спираль второго порядка с диаметром в 4-5 нм, так что группа гема оказывается изолированной внутри обвивающей ее полипептидной цепи. Кольцеообразные молекулыI легко образуют более крупные агрегаты. Строе­

ние остальных цитохромов изучено .менее детально. Однако известно, что

молекулярные массы некоторых из них более высоки. (:пособность агрегиро­

вать друг с другом, по-видимому, одно из свойств, присущих молекулам

цитохромов.

Именно поэтому цитохромы образуют цumохромн.ую систему, представ­

ляющую собой упорядоченное сочетание в едином комплексе различных

цитохромов, например Ь, с и а.

Цитохромная система способна принимать электроны, снятые с атомов

Н восстановленного убихинона (УХ). Она передает электроны далее по цепи цитохромов и, наконец. на кислородный атом; последний, соединяясь с иони­

зированными атомами Н, образует молекулу Н 20.

В цепи цитохромов каждый из индивидуальных цитохромов занимает

строго определенное место. Простейший вариант цитохромнойсистемы при­

веден на следующей схеме:

УХ

Fe~

Fea+

Fe~

	.. Н2О"		-
2Н+		02

Как видно из схемы, передача электронов в цитохромной цепи осуществ­ ляется за счет изменения валентности атома Fe порфиринового ядра. Из всех

цитохромов только цитохром а, аз передает электроны на кислород. Поэтому

именно он завершает цепь цитохромов и носит название цитохромоксидазы.

Кроме атомов Fe (в составе гема) цитохром а, аз содержит также атомы Си,

е которыми связывают его окислительные свойства (см. гл. Х, рис. 132).

Таковы характерные черты действия некоторых важнейших оксидоредуктаз

и окислительно-восстановительных систем, обеспечивающих превращение ря­

да веществ в клетке.

2. Трансферазы. В этот класс входят ферменты, ускоряющие реакции пере­ носа функциональных групп и молекулярных остатков от одного соединения

к другому. Это один из наиболее обширных классов: он насчитывает около 500 индивидуальных ферментов. В зависимости от характера переносимых груп­

пировок различают фосфотрансферазы, аминотрансферазы, гликозилтрансфе­ разы, ацилтрансферазы, трансферазы, переносящие одноуглеродные остатки

(метилтрансферазы, формилтрансферазы), и др. .

Фосфотрансферазы. Сюда относятся ферменты, ускоряющие реакцию пере­ носа остатка фосфорной кислоты. Эта реакция имеет исключительно важное

значение для жизнедеятельности организма, обеспечивая превращение ряда

органических соединений в фосфорные эфиры, обладающие повышенной хими­

ческой активностью и более легко вступающие в последующие реакции. Перенос фосфатных групп идет на спиртовые, карбоксильные, азотсодержащие, фосфор­

содержащие и другие группы тех или иных органических соединений. В соот­

ветствии с этим среди фосфортрансфераз различают несколько подподклассов.

123

Донором фосфатных остатков является в большинстве случаев аденозинт­ рифосфорная кислота (АТФ), но возможньi и другие их источники. К фосфо­ трансферазам относится, например, гексокиназа-фермент, ускоряющий пере­ нос остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ к глюкозе (с этой реакции

обычно начинается преобразование ГЛЮКClзы):
он1	он1	ОН1	~Ji~~~		-
+ HO-P-O-P-O-P-O-C~					Гсксооаои.••
11	11	11	2	О	(АТФ:D-r_
О	О	О		-6-фосфотроисфер)
			Н	Н
a~г~_		Н		Н
		АТФ	он	он

-		он	он
	+	1	1
		HO-P-O-P-O-C~
		n	11
		о	о

нон

ГлlЖ03l>-6-фocфoт

	( a-D-r.mokOllllp8li03Do	АДф	он он
	-6-фос:ф8Т)

Гексокиназа распространена повсемесnlO. Особенно хорошо изучена гексо­

киназа дрожжей. Ее молекула (М = 96 000) составлена из 4 субъединиц. Муль­

тимер устойчив при рН 5. При снижении или повышении рН раствора моле­

кула гексокиназы распадается на 4 протомера'(М=24 000), лишенных фосфо­

трансферазной активности. В соответствии с двойственной npиродой

субъединиц в мультимерах обнаружено 5 изозимов гексокиназы. Преобразование многих других моносахаридов тоже начинается с их фос­

форилирования при посредстве фосфотрансфераз: так обстоит дело в случае Р­ D-фруктозы, f3-D-рибозы (см. с. 338) и ряда других сахаров.

Особое внимание в последнее время уделяют изучению фосфотрансфераз, обеспечивающих перенос остатка фосфата с АТФ на беДКИ,-протеиикииазам. Они переносят фосфат на радикалы сер, тре, тир, лиз и гис ряда белков,

врезультате чего резко изменяется биологическая активность последних. Это,

всвою очередь, сказывается на интенсивности протекания .химических процес­

сов в организме, т. е. на регуляции обмена веществ (см. гл. XHI).

Аминотрансферазы. Эти ферменты ускоряют реакцию переаминирования

аминокислот с кетокислотами и очень важны для обеспечения биосинтеза

аминокислот. Аминотрансферазы двухкомпонентны: простетичесICОЙ группой их во всех случаях является пиридоксальфосфат, ковалентно присоединенный к апоферменту через свою альдегидную группу (см. рис. 55, Б) и ~онной связью-через остаток фосфорной кислоты: О

ОН q

Велок-I о-п-о-с~,он

о~Jl

сн,

~

-124

Механизм реакции переаминирования сейчас хорошо выяснен, а сама реакция

открыта еще в 1937 г. А. Е. Браунштейном и М. г. Крицман.

.

Для удобства пиридоксальфермент обозначим при помощи следующей

сТруктуры: ~)С-фер~еRТ. сохранив только функционально значимую альде­

гидную группу его кофермента.

На. первой стадии ферментативного катализа простетическая группа

фермента (для простоты принято, что она свободна, а не соединена альдимин­

ной связью с апоферментом через Е-аминогруппу радикала лиз) взаимодей­ ствует с аминокислотой, подвергающейся переаминированию. Реакция идет по аминогруппе аминокислоты и альдегидной группе остатка пиридоксаль­ фосфата:

СООН

I

CН-NН2

I

СН,2

СООН

На второй ступени катализа идет преобразование субстрата, выражающее­

ся в данном случае в таутомерной перегруппир?вке:

Ir------'t I	!ООН
СООН
CH.N J СН-фермент	... I=N-СН2-фермент
I •.-- .
СН2	СН2
соон	!оон
I

Эта перегруппиjювка осуществляется при участии имидазолсодержащих

радикалов остатков гuс, входящих в состав каталитического центра фермента:

125

в результате последующего гидролиза освобождаются кетокислота и фер­

мент в виде пиридоксаминофермеНl'а:

СООН	СООН
I	I
C=N-СН2-фермент+НОН~ СО+ H2N-" СН2-фермент
,	I
CHz	СНа IIиридоксамивофермсвт
I	I
СООН	СООН

~авелевоуксусна. кислота

Далее между пиридоксаминоферментом и другой кетокислотой вновь воз..

никает фермент-субстратный комплекс:

а·Кстоглутароваl квслота

Субстрат в нем снова подвергается преобразованию за счет TaYToMepHoro rtревращения:

СООН		СООН
(!Н2)2		(!Н2)2
'~--I	-фермент .:::;..i=:!.~	I
f L~j СН2		СН-N=СН-фермент
СООН		!ООН

Полученное соединение гидролизируется, и возникает НО8ая аминокислота:

СООН	СООН
(~H.).	(~H.).		О
I	I		~
CH-N=CH- фермент + Н8О ~	CH-NH. +		с- фермент
~OOH	~OOH		Н/
	r.nyralllllH088R ПВРИДОКC8Лlo·
	КВCnOT8		фермен?
Следовательно, в результате серии реакций,		включающих в себя попе­

ременное образование Фермент-субстратных комплексов, аспарагиновая

кислота переходит в щавелевоуксусную, а сх-кетоглутаровая - 8 глутаминовую.

Это выражается следующим суммарным уравнением:

СООН	СООН		СООН	СООН
I	I	I1И~оксаль-	I	,
CHNНz	(CH Z)2	мент	СО	(СН2)2
I	+ I		I	+ I
СН2	СО		СН2	CHNH2
I	I	(аспартат-	I	I
		аминотранс-
СООН	СООН	фераза)	СООН	СООН

126

_: Центральную роль в пиридоксалевом катализе играет смещение электрон­ ной плотности в фермент-субстратном комплексе:

	RJ.!...cOOH
	~
УН	но:::1' "'Н
Беnо~~Р--О-4СН2	I
11
о

В результате у а-углеродного атома аминокислотного остатка ослабляют­

ся связи с заместителями (азотом, СООН-группой и др.), вследствие чего легко

осуществляется разрыв соответствующих связей. .

Аспартатаминотрансфераза имеет молекулярную массу, равную 93000,

исостоит из двух идентичных субъединиц (М = 46500), каждая из которых соединена с молекулой пиридоксальфосфата. При разбавлении растворов

аспартатаминотрансферазы ее димеры распадаются на каталитически актив­

ные мономеры. Благодаря исследованиям главным образом советских ученых (А. Е. Браунштейна с еотр., Ю. А. Овчинникова с сотр. и Б. К. Вайнштейна

с сотр.) выяснены первичная и третичная структуры этого фермента, строение

идетальный механизм функционирования его активного центра. Субъединица

цитозольного изофермента аспартатаминотрансферазы из сердца свиньи (дру­ гой изофермент локализован в митихондриях) представлена полипептидной

цепью из 412 аминокислотных	остатков. Значительная часть ее находится
в а-спиральной конформации, а в обособленном участке глоБулыI расположен
коферментсвязывающий домен,	где локализован активный центр (рис. 55).

Характерно, что коферментсвязывающий домен пиридоксальферментов очень

похож на нуклеотидсвязывающиЙ· домен НАД+- и НАДФ+-зависимых дегид­ рогеназ (см. рис. 53, /l), что объясняется, видимо, присутствием пиридинового

цикла в составе того и другого кофермента.

Поскольку аспартатаминотрансфераза состоит из двух субъединиц и несет,

следовательно, два остатка пиридоксальфосфата, в реакции переаминирова­

ния субъединицы работают согласованно, со сдвигом по фазе в использовании

энергии, необходимой для осуществления химических преобразований; вслед­

ствие этого димерная структура фермента дает существенный выигрыш в осу­

ществлении каталитического процесса.

Рис. 55. Один из возмож­ ных вариантов третичной

структуры аспартата~о­

трансферазы (А) и строе­

ние ее	активного центра
	(Б)
На рис. Б видио, что ПИРИДОJ:C8ЛЪ­
фосфат	соедииен ВЛЬДАМИИНОЙ
"СВязью С Е~амнногруппой остатка
JlИЗИна в 8nоферменте; именно по
этой алЬДАМНИНОЙ СВIIЗИ присоеди·
ниетсll. аминогруппа 8МННОКЯСЛО·			Б
ТЫ, BЫTCCНRII. oтryдa Е·аминогруп-		А

пу лизина

127

lJmкозвлтравсферазы. Эти ферменты ускоряют реаIЩИИ переноса ГJIИXозил:ь...

ных остатков из молекул фосфорных эфиров или других соединений к молекулам моносахаридов, полисахаридов или иных веществ, обеспечивая главным обра­

зом реакции синтеза и распада олиго- и полиса~аридов в животном и раститель­

ном мире. Ниже приведено уравнение реакции распада сахарозы при участии

сахароза: ОРТОфосфат-сх-глюкозилтрансферазы, или сахарозофосфорилазы:

	н		HHO~2Н
	Н	Н	+	Н
			Н	82ОН
			~/OH	Н
			II'OH
			О
Сахароза (II-D-rЛЮlCопиранозидо­	II-D-Глюкопирано-			fJ-D-Фруrrо-
fJ-D-Фруктофуранозид)	JO-l-фосфат			фураНО1а

Аналогично этому действуют крахмалфосфорилаза, гликогенфосфорилаза

идругие гликозилтрансферазы. В случае переноса гликозилъных остатков на

Н3РО4 этот процесс называют фосфоролизом, так как он формально аналоги­

чен гидролизу, но вместо элементов воды по месту разрыва кислородного

мостика присоединяются водород и фосфатная группа фосфорной :кислоты

(подробнее о гликогенфосфорилазе и механизме ее действия СМ. гл. VIII).

В последнее время выяснено, что перенос гликозилъпых остатков особенно

легко осуществляется ферментами данной группы в тех случаях, когда суб­

стратом служит нуклеозиддифосфатмоносахарид. Эта реакция представляет, видимо, основной путь природного синтеза олиго- и полисахаридов и будет

детально рассмотрена в гл. VIII. Нуклеозиддифосфатсахара являются кофер­

ментами гликозилтрансфераз.

Ацилтравсферазы. Эти ферменты ускоряют переное ацилов (остапов карбо­ новых :кислот) на аминокислоты. амины, спирты и другие соединения. Уни...;

версальным источником ацильных групп во всех этих реакциях является

ацил-коэнзим А, который с полным основанием можно рассматривать жак

активную группу ацилтрансфераз.

Чаще всего переносу в биологических объектах подвергается ацил уксусной

кислоты-аце~ил (СНз-С(о).

Коэнзим А (см. формулу на с. 163), соединяясь с ацетильным остапом, кото­

рый занимает место водорода в его НS-группе, образует ацетил-коэнзим А.

Последний служит кофактором в соответствующей реакции переноса. Одним

из примеров реакции трансацилирования является синтез ацетилхолина:

~	+	(СНа),
снз-с	+ HO-CH.-CH.-N
'S-КоА	ХОЛИII
JU!ethn-кознзнм А

Ацетнnхспни

Ко.нзи" А

128

Важное значение среди трансфераз имеют ферменты, ускоряющие перенос

одноутЛеродных фрагментов (метилъных, оксиметильных, формилъных

ит. п.), а также нуклеотидилтрансферазы, катализирующие перенос нуклео­ тидных остатков в процессе синтеза нуклеиновых кислот. Механизм их дей­

ствия будет описан ниже.

3.Iiщpoлазы. К классу гидролаз относят ферменты, ускоряющие реакции расщеIШения (а иногда и синтеза) органических соединений при участии воды:

R'R"+НОН~R'Н+R"ОН.Взависимостиотхарактерасубстрата,подвергающе­ гося гидролизу, гидролазы делят на ряд подклассов, среди которых наиболее

важныследующие: 1) эстеразы, ускоряющиереакциигидролизасложныхэфиров;

2)гликозидазы, ускоряющиереакциигидролизагликозидов, в томчислеуглеводов;

3)пептид-гидролазы, ускоряющие реакции гидролиза (а в особых случаях

исинтеза) белков, пептидов и других соединений, содержащих пептидные связи;

4)гидролазы, действующиена С-N-связи, отличающиесяотпептидных (например,

амидазы и т. п.). Всего в составе гидролаз насчитывают почти 500 ферментов.

Эстеразы. Эти ферменты катализируют реакции гидролиза сложных эфи­

ров спиртов с органическими и неорганическими кислотами. Важнейшими подподклассами эстераз являются гидролазы эфиров карбоновых кислот и фос­

фатазы. В качестве представителя первого подподкласса рассмотрим липазу.

Липаза ускоряет гидролиз внешних, т. е. ос-сложноэфирных, связей в моле­ кулах триацилглицеринов (жиров):

CH2-0-СО-С15НЭl		СН2-ОН
I	Липаза	I
СН-О-СО-С15НЭ1 +2НОН	I	СН-О-СО-С15НЭ1 +2С1sНз1СООН

I	I
CH2-0-СО-С15НЭl	CHz-ОН	Пальмитиновая
	j>IJam.ывтил-	и:ислота

МехаЮlЗМ действия ряда эстераз детально изучен. Один из примеров

рассмотрен в этой главе (см. раздел о механизме действия ферментов). Харак­

теристика липаз дана в гл. IX.

Фосфатазы катализируют гидролиз фосфорных эфиров. Особенно широко

распространены фосфатазы, действующие на сложные эфиры фосфорной кис­

лоты и углеводов, например глюкозо-l-фосфатаза:

	н	он	D-Г.lllDкозо-l­
			фосфат­	..
			ФосфоrИJI.РОJl8за
		I
н	0-1 0+
	н он	он
гJlюкозо-I- фосфат					ГJlюкоза

Действие фосфатаз проявляется в широком спектре рН от 3 до 9. Большин­ ство из них обладает широкой субстратной специфичностью. Особенно важны

для регуляции процессов жизнедеятельности протеинфосфатазы, обеспечиваю­ щие отщепление фосфата от фосфорилированных белков, вследствие чего

изменяется их биологическая, в частности ферментативная, активность. lJmкозидазы. Эти ферменты ускоряют реакцию гидролиза гликозидов.

В зависимости от того, на какой пространственный изомер (ос или f3) действует

5-3502

129