162	6. Биологическое окисление

зованную, как и лимоннокислый цикл, в митохондриях. В конечном счете все четыре пары атомов водорода превращаются в ионы+ Ни соответствующее число электронов (т.е. протоны и электроны) и переносятся по дыхательной цепи на кислород. Следовательно, лимоннокислый цикл, во-первых, функционирует только в аэробных условиях и сопряжен с дыхательной цепью ферментов, а во-вторых, служит главным донором (генератором) водорода для дыхательной цепи. Надо заметить, что кроме лимоннокислого цикла– основного поставщика водорода для дыхательной цепи, в организме функционируют вспомогательные дегидрогеназные реакции, которые выполняют функцию доноров атомов водорода для дыхательной цепи. Это отдельные реакции окисления жирных кислот, гликолиза, пирувата, глутамата, глицерофосфата. Однако эти реакции не могут существовать самостоятельно, так как сопровождаются образованием ряда продуктов обмена, для утилизации которых необходим лимоннокислый цикл.

6.3. Дыхательная цепь ферментов

Транспорт протонов и электронов от восстановленных субстратов к -ки слороду в процессе тканевого дыхания осуществляется с помощью ряда окис- лительно-восстановительных ферментных систем (редокс-систем). Различают три главных вида оксидоредуктаз – окислительно-восстановительных ферментов:

1)пиридинзависимые дегидрогеназы (пиридинферменты, пиридинпротеиды или ПП), коферментом которых служат НАД или НАДФ;

2)флавинзависимые дегидрогеназы (флавопротеиды или ФП), у которых простетической группой служат ФМН или ФАД;

3)цитохромы, содержащие в качестве простетической группы гем.

Последовательность окислительно-восстановительных систем в окислительной цепи определяется величиной их редокс-потенциала, образуя своеобразный ряд биологического окисления. В последовательности окислительно-

восстановительных систем пара НАД.Н – НАД+, (НАДФ.Н – НАДФ+) имеет

2 2

наибольший отрицательный потенциал, меньший отрицательный потенциал

имеет пара ФАД.Н – ФАД+ (ФМН.Н – ФМН+), в системе цитохром восста-

2 2

новленный – цитохром окисленный появляется уже положительный редокспотенциал, а пара Н2О – 1/2О2 имеет наибольший положительный потенциал. В этой связи система Н2О – 1/2О2 может окислять все компоненты в дыхательной цепи, стоящие перед ней.

Пиридинпротеиды способны отнимать от субстрата (первичных и вторичных спиртов, альдегидов, аминокислот, аминов, насыщенных и ненасыщенных соединений, таких как дикарбоновые кислоты и кетокислоты и др.) атомы водорода, окисляя тем самым указанные соединения. Известно более 150 таких

6. Биологическое окисление

163

пиридинзависимых дегидрогеназ. Часть пиридинзависимых дегидрогеназ локализована в цитозоле, часть – в митохондриях, а некоторые присутствуют и здесь и там. Известны пиридинзависимые дегидрогеназы, участвующие в углеводном обмене – гликолизе (фосфоглицеринальдегиддегидрогеназа, лактатдегидрогеназа), в жировом обмене (α,β-гидроксиацил-КоА-дегидрогеназа), в обмене аминокислот (глутаматдегидрогенза). Три пиридинзависимые дегидрогеназы участвуют в митохондриях в лимоннокислом цикле(изоцитратдегидрогеназа, α-кетоглутаратдегидрогеназа и малатдегидрогеназа).

Функция переносчиков водорода выполняется динуклеотидами(НАД) благодаря тому, что они могут существовать в окисленной и восстановленной формах. В окисленной форме атом азота пиридинового кольца амида никотиновой кислоты НАД является четвертичным. При восстановлении в пиридиновом кольце происходит перераспределение электронов, атом азота становится третичным (присоединение электрона), с нормальной электронной конфигурацией, один водород присоединяется – n-положении, а другой водород поступает в среду в виде свободного иона Н+ (т.е. присоединяются два электрона и один протон, а один протон поступает в среду).

CH

H

C

H

HC

C

CO NH2

Н

HC

C

CO NH2

субстрат +

субстрат

+

+ CH

HC

CH

Н

HC

N

N

R

ПП.Н

2

ПП

R

Кроме НАД пиридинпротеиды могут содержать в качестве кофермента никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). Этот кофермент является производным НАД, у которого водород гидроксильной группы второго углеродного атома рибозы замещен на остаток фосфорной кислоты.

НАДФ, соединяясь со специфическими белками, образует большую группу пиридинпротеидов, характеризующуюся своим набором субстратов. Механизм окисления при участии НАДФ в качестве кофермента аналогичен таковому при посредстве НАД. Более того, НАД.Н2 и НАДФ, равно как НАД и НАДФ.Н2, при каталитическом участии специального фермента– трансдегидрогеназы – способны обмениваться атомами водорода и электронами.

Дегидрогеназы, связанные с НАД, принимают участие главным образом, в процессе тканевого дыхания, т.е. в процессе переноса электронов от субстратов к кислороду, тогда как дегидрогеназы, связанные с НАДФ, участвуют преимущественно в переносе богатых энергией электронов, полученных от субстратов в процессе катаболизма, к восстановительным реакциям биосинтеза.

164	6. Биологическое окисление

Все пиридинпротеиды являются анаэробными дегидрогеназами, т.е. они передают атомы водорода на ближайший в окислительной цепи другой фермент, но не на кислород.

Партнером восстановленных форм пиридинпротеидов в окислительной цепи, как правило, служат флавопротеиды. Флавопротеиды (сокращенно ФП) являются оксидоредуктазами с простетической группой изоаллоксазиновой природы в виде флавинадениндинуклеотида(ФАД) и флавинмононуклеотида (ФМН).

ФМН и ФАД, соединяясь с различными апоферментами, дают начало приблизительно десяти флавопротеидам, отличающихся различной специфичностью по отношению к субстратам. Наиболее важную роль среди флавинзависимых дегидрогеназ играют дегидрогеназа лимоннокислого цикла– сукцинатдегидрогеназа, дигидролипоилдегидрогеназа пируватдегидрогеназной и α-кетоглутаратдегидрогеназной ферментных систем, флавопротеиды, катализирующие первую стадию процесса окисления жирных кислот и др.

Основной функцией флавопротеидов является перенос атомов водорода от восстановленных пиридинпротеидов к другим участникам окислительновосстановительной цепи. При этом активной частью молекулы ФАД или ФМН является способное восстанавливаться изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина. Атомы водорода (электроны) присоединяются по двойным связям изоаллоксазиновой группировки с перераспределением электронов в изоаллоксазине и затем легко отщепляются от восстановленной формы.

R

R

H

H3C

N

N

O

N

NH

ПП

H C

O

+

ПП+

3

H

H3C

N

NH

H C

NH

3

NH

ФП

O

ФП.Н2

O

Некоторые флавопротеиды, особенно с ФАД в качестве кофермента, могут непосредственно снимать атомы водорода с субстрата, без участия пиридинпротеидов, при этом редокс-потенциал субстрата должен быть более -по ложительным, чем в системе НАД.Н2 – НАД+.

Дальнейшая судьба водорода, передаваемого по системе окислительновосстановительных ферментов, может быть различной. Восстановленные формы большинства флавиновых дегидрогеназ с трудом поддаются непосредственному окислению молекулярным кислородом.

Было установлено, что значительно чаще между дегидрогеназами и молекулярным кислородом могут действовать посредники(на что впервые указал В.И. Палладин). Атомы водорода с восстановленной дегидрогеназы сначала

6. Биологическое окисление

165

поступают на окисленную молекулу посредника, а потом уже с нее на молекулярный кислород. Самый распространенный вариант окислительно-восстано- вительного процесса в клетке состоит в окислении атомов водорода, снятых с субстрата дегидрогеназами, с помощью цитохромной системы. Скорость окислительного процесса в цитохромной системе значительно превышает -та ковую в других путях окисления, вследствие чего она определяет основной (главный) путь терминального окисления и в целом всего биологического окисления.

Цитохромную систему образуют несколько оксидоредуктаз, имеющих в качестве простетических групп железопорфирины. На возможную роль железосодержащих белков в биологическом окислении впервые обратил внимание А.Я. Данилевский, существенный вклад в разработку этого вопроса внес Варбург и Кейлин.

Соединяясь с белками, железопорфирины разных типов дают начало группе хромопротеидов, объединяемых под общим названием цитохромы. Каждый индивидуальный цитохром обозначается строчной латинской буквой а, в, с, и т.д. с соответствующим порядковым индексом (например: а, а3; с, с1, и т.д.), а класс цитохрома – прописной латинской буквой А, В, С и т.д. Принадлежность цитохрома к определенному классу определяется строением простетической группы (железопорфирина), а окончательная индивидуальность– строением апофермента (белка).

В митохондриях клеток высших животных и растений идентифицировано пять различных цитохромов: в, с1, с, а, а3. В эндоплазматической сети обнару-

жены еще цитохромы – в5 и Р450.

Цитохромы очень прочно связаны с митохондриальной мембраной и поэтому их с трудом получают в растворенной гомогенной форме. Исключением является цитохром С, который очень легко экстрагируется из митохондрий. Строение цитохрома С хорошо изучено, он получен в кристаллическом виде и в нем установлена аминокислотная последовательность.

Цитохромы митохондриальной дыхательной цепи образуют цитохромную систему, представляющую упорядоченное сочетание в едином комплексе различных цитохромов (цит. в, цит. с1, цит. с., цит. а, цит. а3), порядок которых определяется величиной их редокс-потенциала.

Цитохромная система не принимает атомов водорода с флавин-зависимой дегидрогеназы, а принимает лишь электроны, протоны поступают в среду.

Таким образом, на современном этапе знаний биологическое окисление, т.е. перенос протонов и электронов к кислороду осуществляется с помощью системы различных окислительно-восстановительных ферментов.

Транспорт протонов и электронов на кислород от восстановленного НАД (НАД.Н2), образовавшегося при действии на субстрат пиридин зависимых дегидрогеназ, или от восстановленного ФАД(ФАД.Н2), образовавшегося при

166	6. Биологическое окисление

действии на субстрат флавинзависимых дегидрогеназ в процессе функционирования лимоннокислого цикла и в отдельных реакций окисления продуктов гидролиза белков, жиров и углеводов, осуществляется с помощью дыхательной цепи, локализованной во внутренней мембране митохондрий.

Митохондриальная дыхательная цепь включает следующие компоненты:

1)флавопротеид (ФП), содержащий в качестве простетической группы (кофермента) ФМН;

2)кофермент Q (или убихинон);

3)железосерные белки, содержащие негеминовое железо;

4)цитохромы в, с1, с, а, а3.

Протоны и электроны от восстановленного НАД(НАД.Н2) пиридинзависимых дегидрогеназ как лимоннокислого цикла, так и дегидрогеназ, функцио-

нирующих вне лимоннокислого цикла, переносятся на флавопротеид – первый
компонент митохондриальной дыхательной цепи. Этот флавопротеид, полу-
чивший название НАД.Н2-дегидрогеназа, находится на внутренней митохонд-
риальной мембране, пересекая ее поперек. Он связан с железосерными белка-
ми (железосерными центрами), участвующими в передаче восстановительных
эквивалентов (т.е. протонов и электронов) от флавопротеида (ФМН.Н2) на сле-
дующий компонент дыхательной цепи– убихинон. Убихинон – это жирорас-
творимый хинон, содержащий в большей части тканей млекопитающих боко-
вую цепь из 10-ти изопреновых групп (Ко Q10), способный существовать как в
окисленной, так и в восстановленной форме, диффундирующий как поперек,
так и вдоль мембран митохондрий. Убихинон выполняет коллекторную функ-
цию, собирая восстановительные		эквиваленты не только от флавопротеида
(НАД.Н2-дегидрогеназы), но и от других флавинзависимых дегидрогеназ, на-
ходящихся в митохондриях как в составе лимоннокислого цикла, так и вне его
(в частности, от сукцинатдегидрогеназы лимоннокислого цикла, от ацил-КоА-
дегидрогеназы, участвующей в β-окислении жирных кислот и др.). Электроны
от восстановленного убихинона переносятся на кислород с помощью системы
цитохромов. Считается, что		на	участке	Q – Коцитохром	«в»
водородпереноcящая	часть		дыхательной	цепи	сменяется	на

электронпереноcящую часть, а протоны поступают в среду. На этом участке образуется 2Н+ и 2 е-.

Первый цитохром цитохромной системы– цитохром «в» (присутствующий в двух формах: «в»5б2 и «в»566, называемые так по максимуму поглощения света), принимает электроны от убихинона и передает их цитохрому«с1», который в свою очередь, передает их цитохрому «с». Каждый их этих цитохромов, находясь в окисленной форме, присоединяет один электрон и переходит в закисную форму (за счет изменения валентности Fе3+ в Fе2+ железопорфириновой проcтетической группы– гема). В переносе электронов от убихинона на