Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

П р о д о л ж е н ие

Число

Окисленная форма передаваемых Восстановленная форма Ч>о.В электронов

Экзэргоничность реакций биологического окисления. Реак­ ции биологического окисления являются экзэргоническими и служат источниками энергии, необходимой для различных жиз­ ненных процессов. Поэтому многие реакции биологического окис­ ления сопряжены с фосфорилированием АДФ с образованием АТФ, в результате происходит аккумулирование энергии окислительно­ восстановительных реакций в организме. В то же время в орга­ низме некоторые реакции окисления сопряжены с реакциями восстановления, которые эндэргоничны (разд. 9.3.3).

Классификация биохимических окислительно-восстанови­ тельных процессов. В биохимической литературе широко распро­ странено мнение, что биологическое окисление связано только с взаимодействием субстрата с кислородом и его производными или с дегидрированием субстрата. В действительности кроме этих про­ цессов очень большое число биохимических реакций, протекаю­ щих внутримолекулярно в присутствии ферментов, имеет окисли­ тельно-восстановительный характер. Поэтому протекающие в ор­ ганизме окислительно-восстановительные процессы предлагается разделить на следующие типы.

1.Реакции внутри- и межмолекулярной окислительно-восста­ новительной дисмутации за счет атомов углерода (разд. 9.3.2).

2.Реакции, протекающие с участием оксидоредуктаз:

-дегидрогеназного окисления-восстановления (разд. 9.3.5 - 9.3.7); ~ оксигеназного окисления-восстановления (разд. 9.3.8).

3.Свободнорадикальное окисление-восстановление (разд. 9.3.9).

218

9.3.1. СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДА

ВОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ

Вприродных органических соединениях степень окисления ато­ мов элементов-органогенов обычно равна: водорода + 1 , азота -3 , кислорода* - 2 , серы* - 2 , фосфора +5, а углерода - любой величине от -4 до +4. В органическом соединении степень окисления данно­ го атома углерода является условным зарядом, который рассчиты­ вается с учетом того, что общая пара электронов химической связи между атомами относится полностью к более электроотрицатель­ ному атому. Общие пары электронов, принадлежащих соседним атомам одного и того же элемента, включая углерод, не следует учитывать при определении степени окисления. В табл. 9.3 указа­ ны степени окисления атомов углерода в различных соединениях.

Таблица 9.3

Степени окисления атомов углерода в соединениях

Естественно, что в молекуле органического соединения сте­ пени окисления атомов углерода могут быть различны:

* В соединениях, содержащих перекисную группу (—0—0—), сте­ пень окисления кислорода “-1 ”, дисульфидную группу (—S—S—) - степень окисления серы “-1 ”.

219

Различий в значениях степеней окисления у а-атомов угле­ рода в молекуле пиридина из-за делокализации кратных связей в действительности, конечно, нет. Однако в производных пири­ дина указанные различия иногда необходимо учитывать, напри­ мер в НАД+, НАДФ+.

На основании приведенных примеров можно сформулиро­ вать следующее правило:

Степень окисления любого атома углерода в природных органических соединениях равна алгебраической сумме числа всех его связей с атомами более электроотрица­ тельных элементов ( кислород, азот, сера), учитывае­

атомами углерода не учитываются.

Вычисленная степень окисления атомов углерода, хотя и яв­ ляется условной величиной, указывает на смещение электронной плотности в молекуле, а ее изменение в результате реакции четко свидетельствует об окислительно-восстановительном характере этой реакции. Наличие у атомов углерода широкого диапазона степе­ ней окисления от -4 до +4 свидетельствует о его окислительно­ восстановительной двойственности. Поэтому в органической хи­ мии широко распространены реакции окислительно-восстано­ вительной дисмутации за счет атомов углерода. Причем эти окислительно-восстановительные реакции могут протекать внутри-

имежмолекулярно.

9.3.2.БИОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ВНУТРИ-И МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОЙ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ДИСМУТАЦИИ

ЗА СЧ ЕТ АТОМОВ УГЛ ЕРОДА

Реакции внутри- и межмолекулярной дисмутации протекают в субстрат-ферментных комплексах, если молекулы субстратов содержат атомы углерода с различной степенью окисления, спо­ собные под влиянием фермента к дисмутации, когда один явля­ ется окислителем, понижая степень окисления, а другой - вос­ становителем, повышая степень окисления. В результате этих превращений в молекуле происходит перераспределение элек­ тронов, что сопровождается изменением ее структуры или за счет негидролитического расщепления отдельных связей и обра­ зования новых, или за счет изомеризации углеродного скелета.

220

Процессы внутри- и межмолекулярной окислительно-восста­ новительной дисмутации атомов углерода сопровождают реак­ ции гидратации и дегидратации, аминирования и дезаминиро­ вания, декарбоксилирования, конденсации и другие:

- гидратация фумаровой кислоты:

ацетоацетилкофермент А

Несмотря на то, что все приведенные реакции являются окислительно-восстановительными, ферменты, обеспечивающие их протекание, обычно не относят к классу оксидоредуктаз. Это связано с тем, что за основу номенклатуры ферментов положена суммарная реакция, выражаемая формальным уравнением, а не интимный механизм реакции.

Прежде чем перейти к рассмотрению очень важных окисли­ тельно-восстановительных реакций, протекающих в организме при участии ферментов оксидоредуктаз, рассмотрим окисли­ тельно-восстановительные превращения их кофакторов и коферментов.

9.3.3. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

КОФАКТОРОВ И КОФЕРМЕНТОВ ОКСИДОРЕДУКТАЗ

Кофакторы и коферменты, реагируя под влиянием оксидоре­ дуктаз с субстратом, в зависимости от его природы могут быть окислителями или восстановителями. Такая двойственность связана с возможностью их существования в двух сопряженных формах: окисленной и восстановленной.

Оксидоредуктазами, содержащими кофакторы, являются раз­ личные цитохромы, железосеропротеины [FeJS^Prot] и ряд дру-

221

гих ферментов. Эти соединения являются комплексами, в кото­ рых белок фермента ковалентно связан с комплексообразователем - катионом переходного металла, вы полняю щ его роль кофактора. Кофактором чаще всего бывает железо, медь, а ино­ гда марганец и молибден. Все они образуют с белком не менее двух ковалентных связей. П оскольку для всех перечисленных металлов характерна переменная валентность, то их окисли­ тельно-восстановительные превращения связаны с присоедине­ нием или отдачей электронов. Вследствие этого обратимо изме­ няется заряд катиона металла-комплексообразователя. В ре­ зультате происходит переход оксидоредуктазы из окисленной формы в восстановленную и наоборот:

[Fe*S* P ro t (F e3+)] + е~ [Fe*S* P ro t (F e2+)]

В общ ем виде:

Вследствие окислительно-восстановительной двойственности оксидоредуктазы с кофакторами способны служить переносчи­ ками электронов и поэтому являются компонентами электро­ нотранспортных цепей (разд. 9.3.5).

В качестве коферментов оксидоредуктаз выступают слож ­ ные органические соединения, способные к обратимым окисли­ тельно-восстановительным превращениям за счет дисмутации их атомов углерода. Окисленная форма кофермента Коф, вы ­ ступая акцептором и электронов и протонов, переходит в со­ пряженную восстановленную форму Коф(лсН)

Коферменты связаны с белком оксидоредуктазы достаточно прочно: обычно за счет межмолекулярных связей, но иногда и ковалентно. Рассмотрим особенности строения и окислительно­ восстановительных свойств некоторых коферментов.

Убихиноны, или кофермент Q (KoQ). Убихиноны - это груп­ па ж ирорастворимых витаминов Q, являющ ихся производными

222

бензохинона, содержащими гидрофобный заместитель R, который способствует их соединению с белком с образованием убихинонпротеинов. Убихинонпротеины, являясь окислителями, присоеди­ няют от субстрата два электрона к атомам углерода хиноидной группировки, изменяя их степень окисления. Одновременно к атомам кислорода этого кофермента присоединяются два прото­ на (обычно из водной среды). В результате образуется восстанов­ ленная форма - убихинолпротеины KoQ(2H):

K oQ + 2е" + 2Н + ^ K oQ (2H ) <pj = 0 ,0 9 В

- СНзЖ

СН30 С н

он

восстановленная форма KoQ(2H)

Ф лавопротеины (Ф П ) - соединения, содерж ащ ие изоаллоксазиновый фрагмент. К ним прежде всего относятся соедине­ ния флавинаденинмононуклеот ида (ФМН) или флавинадениндинуклеопгида (ФАД) с белком, которые являются производными рибофлавина (витамин В2). Эти коферменты, восстанавливаясь,

Пиридинпротеины - соединения, содержащие никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) или никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+), в обозначении окисленных форм которых содерж ится знак ” + ” , так как они содерж ат пиридиниевый ка­ тион. Оба эти соединения, восстанавливаясь, присоединяют от субстрата-восстановителя два электрона и один протон к атомам углерода пиридинового цикла, переходя в восстановленную

223

форму Н АД(Н) или НАДФ(Н) соответственно. Эти коферменты являются производными витамина РР.

Таким образом, окислительно-восстановительные превраще­ ния коферментов оксидоредуктаз протекают за счет атомов угле­ рода и в них принимают участие протоны. Причем окисленная форма любого кофермента выступает акцептором и электронов и протонов, а восстановленная форма - их донором. Подобно окси ­ доредуктазам с кофакторами, оксидоредуктазы с коферментами могут быть переносчиками электронов, поэтому они такж е яв­ ляю тся компонентам и электронотранспортны х цепей клетки (разд. 9.3.4).

Окислительно-восстановительные свойства коферментов в организме сильно зависят от того, концентрация какой из форм преобладает. Если преобладает окисленная форма, то кофермент выступает окислителем и способствует окислению субстрата. В случае преобладания восстановленной формы кофермент-вос- становитель способствует восстановлению субстрата. Так, в клет­ ках печени отношение концентраций [НАД+]/[Н А Д (Н )] > 510, а [Н АДФ +] / [НАДФ(Н)] ~ 0,01. Поэтому сопряженная система к о ­ фермента Н АД+ выступает окислителем, способствуя окислению субстратов, а сопряженная система кофермента НАДФ+, в кото­ рой преобладает форма НАДФ(Н), ведет себя как восстановитель, способствуя восстановлению субстратов. Таким образом, за счет изменения соотнош ения концентраций окисленной и восстанов­ ленной форм коферментов оксидоредуктаз происходит поддержа­ ние окислительно-восстановительного гомеостаза и регуляция метаболизма в организме.

Многие окислительно-восстановительные реакции в организ­ ме протекают под действием других коферментов, например глютатиона, липоевой кислоты, пиридоксальфосфата, действие кото­ рых рассматривается в разд. 12.2.6, 17.6 и 18.2.4 соответственно.

присоедин яю т два атом а водорода или м олекул у водорода, а пиридинпротеины - гидрид-ион, т. е. Н ", и ч то коф ерм енты явл яю тся переносчикам и

ук азан н ы х ч асти ц . И ногда совок уп н ость эл ектрон а и протона {е~ + Н +} =

= {Н } н азы ваю т восстановительным эквивалентом. В се эти вы р аж ен и я

к р а й н е н е у д а ч н ы , та к к а к п р о т и в о р е ч а т х и м и ч е с к о й су щ н о с т и п р о т е ­

224

кающих процессов и химически абсурдны, ибо атомарный водород чрез­ вычайно реакционноспособен, а молекулы водорода, наоборот, химически инертны и чрезвычайно летучи в условиях организма. Гидрид-ион не мо­ жет образовываться и существовать в воде, которой в организме свыше 60 % . Следует говорить о присоединении или переносе оксидоредуктазами электронов и протонов раздельно, и нельзя объединять эти частицы, так как маршруты их движения в живых системах абсолютно различны. Осо­ бенно четко это проявляется в электронотранспортных цепях клетки.

9.3.4.ЭЛЕКТРОНОТРАНСПОРТНЫЕ ЦЕПИ

Вживых системах перенос электронов от сильного восстанови­ теля к сильному окислителю всегда происходит ступенчато, для чего используется электронотранспортная цепь (ЭТЦ). Электро­ нотранспортная цепь - это ансамбль из нескольких оксидоредук­ таз, который локализован во внутриклеточных мембранах или на их поверхности. В этом ансамбле оксидоредуктазы со своими ко­ факторами и коферментами в их окисленных и восстановленных формах располагаются строго последовательно друг за другом по мере возрастания их восстановительного потенциала (табл. 9.2) и уменьшения энергии Гиббса G, как показано на рис. 9.1. Други­ ми словами, ЭТЦ начинается с оксидоредуктазы, у которой вос­ становительные свойства преобладают над окислительными (ф <

<0). Однако ее окислительная активность достаточна, чтобы окис­ ление субстрата-восстановителя произошло самопроизвольно. По мере продвижения по цепи у каждой последующей оксидоредук­ тазы окислительная способность увеличивается, а восстанови­ тельная - уменьшается. Заканчивается ЭТЦ оксидоредуктазой, у которой окислительные свойства преобладают над восстанови­

тельными (ф > 0). Однако ее восстановительная активность доста­ точна, чтобы восстановление реагента-окислителя произошло само­ произвольно. Таким образом, за счет оксидоредуктаз ЭТЦ проис­ ходит постепенное выравнивание восстановительного потенциала между субстратом-восстановителем и реагентом-окислителем. Это еще раз свидетельствует о том, что природа всегда стремится не к резкому, а к постепенному изменению свойств взаимодействую­ щ их компонентов.

Как видно из приведенной схемы, ЭТЦ осуществляет сопря­ жение пространственно разделенных реакций окисления восста­ новителя (источник электронов) и восстановления окислителя (потребитель электронов), протекающ их на концах этой цепи за счет передачи по ней электронов - общ его компонента для всех участников цепи. Перенос электронов вдоль цепи осущ ествля­ ется благодаря самопроизвольному и последовательному проте­ канию обратимых окислительно-восстановительных превращ е­ ний компонентов этой цепи. При этих превращениях электроны от восстановленной формы одного компонента (I) передаются к окисленной форме последующего компонента (II), что сопровож ­ дается превращением восстановленной формы (I) в сопряженную окисленную форму (I).

Процесс передачи электронов по ЭТЦ - экзэргонический (AG < < 0). За счет энергии, освобождающейся при переносе электронов по цепи, одновременно осуществляется перенос протонов сквозь мембрану. Это происходит с помощью ассоциатов из некоторых оксидоредуктаз. Механизм передачи протонов сквозь мембрану еще точно не установлен. В результате переноса протонов по раз­ ные стороны мембраны создается градиент концентрации прото­ нов, называемый также трансмембранным протонным потенциа­ лом vj/(H+). Таким образом, в ЭТЦ потоки электронов и протонов хотя и сопряжены между собой, но разобщены, так как электроны движутся вдоль мембраны, а протоны - сквозь нее.

Электронотранспортные цепи могут содержать разное число и разные виды оксидоредуктаз. Обычно это оксидоредуктазы с ко­ факторами: различные цитохромы и железосеропротеины, а также оксидоредуктазы с коферментами: НАД+, Н АДФ +, ФМ Н, Ф АД, KoQ. ЭТЦ мож ет быть разветвленной, причем если на одном ее конце идет реакция восстановления окислителя-реагента, то на других концах протекают реакции окисления. В состав ЭТЦ могут входить компоненты, которые способны повысить энергию переда­ ваемых электронов, например, за счет энергии поглощаемого све­ та. Подробнее работу электронотранспортных цепей рассмотрим на процессах окислительного фосфорилирования (разд. 9 .3 .6), фо­ тофосфорилирования (разд. 9 .3.7) и оксигеназного окислениявосстановления с помощью цитохрома Р-450 (разд. 9.3.8).

9.3.5.ДЕГИДРОГЕНАЗНОЕ ОКИСЛЕНИЕ-ВОССТАНОВЛЕНИЕ

Ворганизме широко распространено дегидрогеназное окисле­ ние субстратов St(2H), совершаемое межмолекулярно в присутст­ вии ферментов группы дегидрогеназ, относящихся к классу окси­ доредуктаз. Дегидрогеназы содержат коферменты, которые могут обратимо переходить из окисленной (Коф) в сопряженную восста­ новленную форму Коф(2Н) и участвовать в образовании активиро­ ванного комплекса [субстрат •кофермент •дегидрогеназа]. В этом комплексе субстрат отдает два электрона окисленной форме ко-

фермента, а свои протоны обычно посылает в окруж ающ ую вод­ ную среду. Восстанавливаясь, кофермент Коф присоединяет не только электроны, но и протоны (обычно из водной среды), пере­ ходя при этом в сопряженную восстановленную форму Коф(2Н):

В случае коферментов НАД+ и НАДФ+ один из протонов суб­ страта посылается в водную среду, а другой передается от его ато­

227