Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985

Биоэнергетика и метаболизм
Перенос электронов, окислительное фосфорилирование и регуляция синтеза АТР
В клетках имеются и другие ферменты, использующие в качестве акцептора электронов кислород

Почти во всех клетках около 90% всего потребляемого кислорода восстанавливается с участием цитохромоксидазы митохондрий. Однако в некоторых тканях содержатся ферменты иного типа, катализирующие особые окислительно-восстановительные реакции, в которых атомы кислорода включаются непосредственно в молекулу субстрата с образованием, например, новой гидроксильной или карбоксильной группы. Эти ферменты называются оксигеназами. Хотя в таких специализированных реакциях потребляется лишь небольшая часть всего кислорода, поглощаемого клетками, эти реакции очень важны для организма.

Есть два класса оксигеназ: диоксигеназы и монооксигеназы. Диоксигеназы катализируют реакции, в которых в молекулу органического субстрата включаются оба атома молекулы кислорода. Примером такого фермента может служить пирокатехаза, катализирующая реакцию окисления катехола молекулярным кислородом, сопровождающуюся раскрытием кольца:

Если в реакции участвует молекулярный кислород, меченный изотопом ¹⁸О, то метка (выделена красным) обнаруживается в карбоксильных группах продукта.

Монооксигеназы (их содержание в тканях относительно велико, а их действие отличается большей сложностью) катализируют реакции, в которых в молекулу органического субстрата включается только один из атомов кислорода; второй атом восстанавливается при этом до Н₂О. Монооксигеназам требуются два субстрата, которые служат восстановителями двух кислородных атомов О₂. Главный субстрат присоединяет один из двух атомов кислорода, а косубстрат поставляет атомы Н для восстановления второго атома кислорода до Н₂О. Общее уравнение для реакций, катализируемых монооксигеназами, имеет вид

где АН - главный субстрат, присоединяющий один атом кислорода, а ВН₂ - косубстрат, поставляющий атомы Н для восстановления второго атома кислорода до Н₂О. Поскольку в реакциях, катализируемых монооксигеназами, главный субстрат по большей части гидроксилируется, эту группу ферментов называют также гидроксилазами. Иногда их называют еще оксигеназами со смешанной функцией, поскольку они окисляют одновременно два разных субстрата.

Монооксигеназы подразделяются на несколько классов в зависимости от природы участвующего в реакции косубстрата, который поставляет два атома Н для образования Н_2О. Одни монооксигеназы используют для этой цели в качестве косубстратов восстановленные флавиновые нуклеотиды (FMNH₂ или FADH₂), другие NADH или NADPH, а третьи - а-кетоглутарат. Одним из важных примеров среди монооксигеназ может служить фермент, катализирующий гидроксилирование ароматического кольца фенилаланина, в результате чего образуется тирозин (гл. 19). Врожденное нарушение активности этого фермента лежит в основе генетической болезни, носящей название фенилкетонурии.

Наиболее многочисленны и особенно сложны монооксигеназные реакции, в которых участвует цитохром Р-450, принадлежащий к группе гемопротеинов. Этот цитохром обычно содержится не в митохондриях, а в эндоплазматическом ретикулуме. Подобно митохондриальной цитохромоксидазе, цитохром Р-450 способен взаимодействовать и с кислородом, и с окисью углерода. Отличается же он от цитохромоксидазы тем, что комплекс его восстановленной формы с окисью углерода сильно поглощает свет в области 450 нм.

Цитохром Р-450 катализирует реакции гидроксилирования, в которых органический субстрат RH гидроксилируется до R-OH за счет одного из атомов кислорода О₂, тогда как второй атом кислорода восстанавливается до Н₂О в результате присоединения восстановительных эквивалентов от NADH или NADPH, но чаще от одного из белков, содержащих железо и серу. На рис. 17-30 такая реакция представлена в упрощенном виде; в действительности же она включает ряд промежуточных этапов, пока еще недостаточно изученных. Цитохром Р-450 участвует, например, в гидроксилировании стероидов в процессе образования гормонов коры надпочечников. Существенна также роль цитохрома Р-450 в гидроксилировании ряда лекарственных препаратов и других чужеродных для организма веществ, особенно если эти вещества сравнительно плохо растворимы в воде. В результате гидроксилирования растворимость таких чужеродных веществ в воде повышается, что в сильной мере способствует их детоксикации и выведению из организма (гл. 24). Цитохром Р-450 существует в различных формах, специфичных в отношении тех или иных субстратов.

Рис. 17-30. Гидроксилирование растворимого в липидах лекарственного препарата RH под действием цитохрома Р-450, функционирующего как моно оксида за. У продукта реакции, R—ОН, выше растворимость в воде, и поэтому он легче выводится из организма. Косубстратом, поставляющим атомы Н (серый фон) для восстановления второго атома кислорода до воды, служит NADPH + Н⁺.