БІОХІМІЯ - Підручник - Остапченко Л. І. - 2012

Розділ 16. ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ОБМІН

16.1.Біологічне окиснення

16.1.3.Ферменти й коферменти, які беруть участь в окисно-відновних реакціях

Перенесення електронів від субстратів, що окиснюються, до кисню відбувається в кілька етапів. У ньому бере участь велика кількість проміжних переносників, кожний з яких здатний приєднувати електрони від попереднього компонента й передавати наступному. Так виникає ланцюг окисно-відновних реакцій, у результаті чого відбуваються відновлення О₂ і синтез Н₂О. У дихальний ланцюг мітохондрій входить велика кількість переносників (рис. 16.4).

Рис. 16.4. Мітохондріальний ланцюг перенесення електронів:

Комплекс І містить ФМН не менше п'яти залізосірчаних білків (FеS).

Комплекс ІІІ включає дві різні форми цитохрому b (з максимумом поглинання 562 і 566), один FеS-білок.

Комплекс ІV містить цитохроми а₁ і а₃ та два іони міді. Комплекс V - АТФ-синтаза.

Цитохром с є поверхневим білком і не входить до комлексів.

Комлекс ІІ на рисунку не показано

За винятком убіхінону (коферменту Q (KoQ)), усі компоненти ЛПЕ - білки. У їхньому складі містяться різні небілкові компоненти: ФМН, Fe у складі залізосірчаних білків і в складі порфіринових кілець, іони Сu.

Первинні акцептори водню окисно-відновних реакцій відносять до двох типів дегідрогеназ: нікотинамідзалежні, що містять як коферменти похідні нікотинової кислоти, та флавінозалежні, які мають у своєму складі похідні рибофлавіну.

Нікотинамідзалежні дегідрогенази містять як коферменти НАД⁺ або НАДФ⁺. Ці коферменти входять до складу активних центрів дегідрогеназ, але можуть оборотно дисоціювати з комплексу з апоферментами та включатись до складу ферменту в ході реакції. Субстрати НАД^- і НАДФ-залежних дегідрогеназ знаходяться в матриксі мітохондрій і в цитозолі. Робочою частиною нікотинамідних коферментів слугує нікотинамід (рис. 16.5).

Рис. 16.5. Структурні формули робочої частини коферментів НАД⁺ і НАДФ⁺:

в окисненій формі никотинамідні коферменти позначають як НАД⁺ і НАДФ+,

оскільки вони мають позитивний заряд на атомі азоту піридинового кільця.

У реакціях дигідрування з двох атомів водню, які відщеплюються від субстрату, що окиснюється, никотинамідне кільце приєднує іон водню і два електрони у формі гідрид-іона (:Н^-). Другий іон переходить у середовище. В оборотній реакції НАДН (НАДФН) є донором електронів і протонів

Більшість дегідрогеназ, які поставляють електрони в ЛПЕ, містять НАД⁺. Вони каталізують реакції типу

Отже, НАД⁺, приєднуючи протони та електрони від різних субстратів, слугує головним колектором енергії речовин, що окис- нюються, і головним джерелом електронів з високим енергетичним потенціалом для ЛПЕ.

НАДФН не є безпосереднім донором електронів у ЛПЕ, він використовується у відновних біосинтезах. Однак можливе включення електронів з НДДФН у ЛПЕ завдяки дії піридиннуклеотидтрансгідрогенази, яка каталізує реакцію

Флавінові дегідрогенази містятьяк коферменти ФАД або ФМН, які утворюються в організмі людини з вітаміну B₂. Флавінові коферменти міцно зв'язані з апоферментами. Робочою частиною ФАД і ФМН є ізоалоксазинова сполучена циклічна система (рис. 16. 6).

ФАД слугує акцептором електронів від багатьох субстратів у реакціях типу

де Е - білкова частина ферменту.

Рис. 16.6. Структурні формули робочої частини коферментів ФАД і ФМН:

у ході реакції ФАД і ФМН приєднують два електрони і, на відміну від НАД⁺, два протони, що втрачаються субстратом

Більшість ФАД-залежних дегідрогеназ є розчинними білками, які локалізовані в матриксі мітохондрій. Виключенням є сукцинатдегідрогеназа, що міститься у внутрішній мембрані мітохондрій. До ФМН-вмістних ферментів належить НАДН-дегідрогеназа, яка також локалізована у внутрішній мембрані мітохондрій; вона окиснює НАДН, що утворюється в мітохондріальному матриксі.

Ланцюг перенесення електронів від НАДН і ФАДИ на кисень. Перенесення електронів від НАДН до О₂ включає ряд переносників, локалізованих у внутрішній мембрані мітохондрій. За винятком убіхінону й цитохрому с, це складні білкові комплекси.

НДДН-дегідрогеназа (НАДН-Р-редуктаза, комплекс I) складається з декількох поліпептидних ланцюгів. Роль простетичної групи виконує ФМН. Єдиний субстрат ферменту - НАДН, з якого два електрони і протон переносяться на ФМН з утворенням ФМНН2. Другий протон поглинається з матриксу. Реакція проходить за рівнянням

З ФМНН₂ електрони переносяться потім на ряд залізо- сірчаних білків (Fe), що виконують роль другої простетичної групи в молекулі НАДН-дегідрогенази. Атоми заліза в цих білках (не- гемове залізо) зібрані в кілька груп, так званих залізо-сірчаних центрів. FeS-центри утворюють комплекси з багатьма білками (флавопротеїнами, цитохромами), які беруть участь в окисно- відновних реакціях. Відомі три типи FeS-центрів (Fe, Fe₂S₂, Fe₄S₄), в яких атом заліза зв'язаний з атомом сірки залишків цистеїну або неорганічної сірки.

У НАДН-дегідрогеназі є кілька центрів типу Fe₂S₂ і Fe₄S₄. Атоми заліза в таких центрах можуть приймати і віддавати електрони по черзі, переходячи у феро- (Fe²⁺) і фери- (Fe³⁺) стани. Від залізосірчаних центрів електрони переносяться на кофермент Q (убіхінон) (рис. 16.7).

Рис. 16.7. Структура убіхінону (коферменту Q): n - кількість ізопреноїдних ланок (n = 6-10).

Убіхінон може приймати один електрон і перетворюватися в семихінон або два електрони й повністю відновлюватися в гідрохінон (убіхінол)

Позначення цього жиророзчинного хінону походить від першої букви англійської назви хінону (quinone), а назва убіхінон відображає його поширеність у природі (ubiquitous - усюди розповсюджений). Молекули убіхінону залежно від джерела, з якого вони виділені, різняться довжиною вуглеводневого ланцюга, який у ссавців містить десять ізопреноїдних ланок і позначається як Q10. У процесі перенесення електронів з НАДН-дегідроге- нази через Fe на убіхінон він оборотно перетворюється в гідрохінон. Убіхінон виконує колекторну функцію, приєднуючи електрони від НАДН-дегідрогенази та інших флавінзалежних дегідрогеназ, зокрема від сукцинат-дегідрогенази. Убіхінон бере участь у реакціях типу

Цитохроми, або гемопротеїни, присутні в усіх типах організмів. У клітинах еукаріотів вони локалізовані в мітохондріальних мембранах і в ендоплазматичному ретикулумі. Відомо близько 30 різних цитохромів. Усі вони як простетичну групу містять гем. Їхнє різноманіття зумовлене різницею:

✵ бічних ланцюгів у структурі гему;

✵ у структурі поліпептидних ланцюгів;

✵ у способі зв'язку поліпептидних ланцюгів з гемом.

Залежно від здатності поглинати світло у визначеній частині

спектра всі цитохроми поділяють на групи а, b, с. Усередині кожної групи окремі види з унікальними спектральними властивостями позначають цифровими індексами (b₁, b₂ і т. д.).

Структурні особливості різних виглядів цитохромів визначають розходження в їхніх окисно-відновних потенціалах. У ЛПЕ беруть участь шість типів цитохромів (а, а₃, b₁, b₂, с, с₁). За винятком цитохрому с, усі вони містяться у внутрішній мембрані міто- хондрій у вигляді складних білкових комплексів (табл. 16.3).

QH₂-дегідрогеназа (коензим Q-цитохром с-редуктаза, комплекс III) складається із двох типів цитохромів (b₁ і b₂) і цитохрому с₁. QH₂-дегідрогеназа переносить електрони від убіхінолу на цитохром с. Усередині комплексу III електрони передаються від цитохромів b на FeS-центри, далі на цитохром сі, а потім на цитохром с. Групи гему, подібно до FeS-центрів, переносять тільки по одному електрону. Таким чином, від молекули QH₂два електрони переносяться на дві молекули цитохрому b. Як проміжний продукт у цих реакціях перенесення електронів можливе утворення вільного радикала семихінону. У цитохромах типу b гем не зв'язаний ковалентно з білком, а в цитохромах с₁ і с він приєднується до білка за допомогою тіоефірних зв'язків. Ці зв'язки утворюються шляхом приєднання два цистеїнові залишки до вінільних груп гему.

Таблиця 16.3

Компоненти мітохондріального ланцюга перенесення електронів

Цитохром с - периферичний водорозчинний мембранний білок з молекулярною масою 12 500 Да, що має один поліпептид- ний ланцюг, який включає майже 100 амінокислотних залишків, і молекулу гему, що є ковалентно зв'язаною з поліпептидом.

Цитохромоксидаза (комплекс IV) складається з двох цитохро- мів типу а (а та аз), кожний із яких має центр зв'язування з киснем. Вони мають характерну залізопорфіринову простетичну групу, яка називається гемом а й відрізняється від гему цитохромів b, с і сі тим, що містить формільну групу замість однієї з метильних груп і вуглеводневу замість однієї з вінільних груп.

Іншою особливістю комплексу а-аз є наявність у ньому іонів міді, зв'язаних з білковою частиною в так званих центрах. Перенесення електронів комплексом а-аз включає реакції

Комплекс цитохромів а-аз безпосередньо реагує з молекулярним киснем. Деякі характеристики компонентів ЛПЕ наведено в табл. 16.3.