Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Структура и функции клеточных компонентов
Кофакторы
Переносчики восстановительных эквивалентов

Под восстановительными эквивалентами подразумевают обычно атомы водорода, электроны или гидрид-ионы. Поскольку их перенос осуществляется в ходе окислительно-восстановительных реакций, соответствующие переносчики называют окислительно-восстановительными кофакторами. Среди них присутствуют как коферменты, так и простетические группы. Наибольшее значение и распространение имеют никотинамидные (NAD и NADP) и флавиновые (FAD и FMN) кофакторы.

Никотинамидные переносчики восстановительных эквивалентов.

Известно порядка 270 ферментов, использующих никотинамидные окислительно-восстановительные коферменты в ходе катализа. Этими коферментами являются никотинамидадениндинуклеотид (НАД, или NAD) и никотина-мидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ, или NADP). Структурные формулы NAD и NADP представлены на рис. 7.1, и можно видеть, что два кофермента очень сходны по строению.

Рис. 7.1. Структура никотинамидных окислительно-восстановительных коферментов

При физиологических значениях рН (7,0—7,5) кислотные группы фосфатных остатков этих коферментов ионизированы и суммарный заряд молекулы NAD в окисленном состоянии равен (-)1, а молекулы NADP — (-)3. Тем не менее окисленные формы этих коферментов принято обозначать как NAD⁺ и NADP⁺, желая подчеркнуть присутствие избыточного положительного заряда на атоме азота никотинамидного кольца.

Функциональной группой никотинамидных переносчиков восстановительных эквивалентов служит никотинамидное кольцо, входящее в состав никотинамида — одной из форм витамина В₅ (РР). При ферментативном окислении субстрата с участием NAD⁺ (NADP⁺) никотинамидное кольцо восстанавливается в ходе присоединения гидрид-иона, который представляет собой протон и два электрона (рис. 7.2). При этом дегидрирование субстрата в большинстве случаев сопровождается отщеплением двух атомов водорода, в ходе которого протон выделяется в окружающую среду.

Примером работы никотинамидных переносчиков восстановительных эквивалентов может служить окисление этанола в уксусный альдегид, катализируемое алкогольдегидрогеназой (рис. 7.3). Этот фермент осуществляет стереоспецифическое отщепление двух атомов водорода от молекулы этанола, причем к NAD⁺ переносится водород, связанный с углеродом спиртовой группы, а водород, присоединенный к кислороду гидроксила, высвобождается в среду в виде протона.

Два пиримидиновых кофермента участвуют в разных окислительновосстановительных реакциях при различных окислительно-восстановительных потенциалах: NAD⁺ чаще выступает в роли окислительного агента в катаболитных путях, а NADP⁺ восстанавливается до NADPH и выполняет функцию восстановителя в биосинтетических процессах.

Флавиновые переносчики восстановительных эквивалентов. Существует не менее 80 флавинсодержащих ферментов, которые в качестве простетической группы используют либо флавинадениндинуклеотид (ФАД, или FAD), либо флавинмононуклеотид (ФМН, или FMN). Оба этих кофактора построены на основе витамина рибофлавина (В₂) (рис. 7.4).

Рис. 7.2. Окисление—восстановление никотинамидного кольца

Рис. 7.3. Восстановление никотинамидного кольца в процессе стереоспецифического дегидрирования этанола с участием алкогольдегидрогеназы

Рис. 7.4. Структура флавиновых кофакторов: в пунктирную рамку заключена реакционноспособная часть — изоаллоксазиновая система

Рис 7.5. Окисление—восстановление флавиновых кофакторов

Реакционноспособной частью FAD и FMN служит изоаллоксазиновая система, содержащая двойные сопряженные связи. Структура изоаллоксазиновой системы изменяется при восстановлении (рис. 7.5). Следует отметить, что дегидрирование с участием флавиновых кофакторов также сопровождается отщеплением от субстрата двух атомов водорода, но в отличие от никотинамидных коферментов, акцептирующих гидрид-ион, флавиновые кофакторы акцептируют оба атома водорода (рис. 7.5). Поэтому восстановленные формы флавинадениндинуклеотида и флавинмононуклеотида обозначаются как FADН2 и FMNK₂, соответственно.

Флавиновые кофакторы являются более сильными окислителями, чем никотинамидные, а восстановленные формы никотинамидных коферментов служат более сильными восстановителями, чем восстановленные флавины.

В качестве других переносчиков восстановительных эквивалентов известны цитохромы, хиноны, липоевая и аскорбиновая кислота, глутатион.