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).

image789

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).

image790

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

image791

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

image792

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

image793

де Е - білкова частина ферменту.

image794

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

image795

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).

image796

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

image797

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

Назва компонента

Простетична

група

Донор

електронів

Акцептор

електронів

НАДН-дегідрогеназа, комплекс І

ФМН, FeS

НАДH

KoQ

Коензим Q, убіхінон

Комплекс І

Комплекс ІІІ (bc1)

2-дегідрогеназа, комплекс ІІІ

FeS, гем b1 (562),

гем b2 (566), гем с1

QH2

Цитохром с

Цитохром с

Гем с

Комплекс ІІІ

Комплекс IV

Цитохромоксидаза, комплекс ІV

Гем а, а3, Cu2+

Цитохром с

О2

Сукцинатдегідрогеназа, комплекс ІІ (безпосередньо не входить в ЛПЕ, що наведений на рис. 16.4.)

ФАД, FeS

Сукцинат

KoQ

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

image798

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