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

ма углерода атому углерода кофермента. Это отличие от других коферментов, у которы х акцепторами протонов являются атомы азота и кислорода, обусловлено, по-видимому, отличием в энер­ гиях связи С— Н от связей N— Н и О—Н.

Дегидрогеназы с помощ ью коферментов способствую т отще­ плению двух электронов и двух протонов от двух соседних атомов молекулы субстрата с образованием между ними двойной связи. Дегидрогеназному окислению подвергаются:

- насыщенные углеводороды:

С помощ ью дегидрогеназ в клетке осущ ествляются отдельные стадии таких биохимических процессов, как Р-окисление ж ир­ ных кислот (разд. 19.4.2), цикл Кребса (разд. 19.4.3) и других, при которых происходит реакция дегидрирования субстратов.

Дегидрогеназы катализируют не только окисление, но и вос­ становление биосубстратов, однако в последнем случае восстанов­ ленная форма их кофермента должна быть более активна. Роль восстановителей, способных восстанавливать биосубстраты, час­ то выполняют дегидрогеназы с восстановленной формой кофер­ мента НАДФ(Н), поскольку в клетке обычно содержание формы НДЦФ(Н) в 100 раз больше, чем окисленной формы НАДФ+, что

228

обеспечивает НАДФ(Н) более высокий восстановительный потенци­ ал, как, например, в случае реакции гидрирования азота до аммиа­ ка, протекающей в синезеленых водорослях под действием нитрогеназы с НАДФ(Н). Реакция гидрирования протекает при участии АТФ , гидролиз которой обеспечивает ее необходимой энергией.

лению азота, но степень окисления атомов водорода при этом не изменяется. Следовательно, при гидрировании субстрата в ж и ­ вой системе восстановителем являются атомы углерода восста­ новленной формы кофермента, а не атомы водорода, как это час­ то утверждают некоторые учебники.

Реакции восстановления в отличие от реакций окисления являются, как правило, эндэргоническими. П оэтому в организ­ ме в некоторых случаях осущ ествляется сопряжение этих реак­ ций, а в качестве посредника между ними обычно выступают дегидрогеназы с коферментом НАДФ (Н). Восстановленная фор­ ма этого кофермента НАДФ(Н) переносит электроны и протоны от реакций окисления к реакциям восстановления.

Экзэргоническая

реакция

Эндэргоническая

реакция

восстановления

Таким образом, оксидоредуктазы с восстановленной формой кофермента могут служить, наряду с АТФ, аккумуляторами энер­ гии в клетке. Однако отдавать энергию эти соединения будут только выступая восстановителями при взаимодействии с био­ субстратами-окислителями.

Дегидрогеназное окисление субстратов обычно протекает в ми­ тохондриях клетки, где оно сопряжено с восстановлением кисло­ рода и синтезом АТФ, т. е. с окислительным фосфорилированием.

9.3.6.ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Процесс окислительного фосфорилирования протекает в ми­ тохондриях на их внутренней мембране, где расположены два ансамбля ферментов. Один состоит из оксидоредуктаз (электро­ нотранспортная цепь), а второй - АТФ -синтаза. Работа этих ан-

229

ма углерода атому углерода кофермента. Это отличие от других коферментов, у которы х акцепторами протонов являются атомы азота и кислорода, обусловлено, по-видимому, отличием в энер­ гиях связи С— Н от связей N— Н и О— Н.

Дегидрогеназы с помощ ью коферментов способствую т отще­ плению двух электронов и двух протонов от двух соседних атомов молекулы субстрата с образованием между ними двойной связи. Дегидрогеназному окислению подвергаются:

- насыщенные углеводороды:

СООН

СООН

С помощ ью дегидрогеназ в клетке осуществляются отдельные стадии таких биохимических процессов, как (3-окисление ж ир­ ных кислот (разд. 19.4.2), цикл Кребса (разд. 19.4.3) и других, при которых происходит реакция дегидрирования субстратов.

Дегидрогеназы катализируют не только окисление, но и вос­ становление биосубстратов, однако в последнем случае восстанов­ ленная форма их кофермента должна быть более активна. Роль восстановителей, способных восстанавливать биосубстраты, час­ то выполняют дегидрогеназы с восстановленной формой кофер­ мента НАДФ(Н), поскольку в клетке обычно содержание формы НАДФ(Н) в 100 раз больше, чем окисленной формы НАДФ+, что

228

обеспечивает НАДФ(Н) более высокий восстановительный потенци­ ал, как, например, в случае реакции гидрирования азота до аммиа­ ка, протекающей в синезеленых водорослях под действием нитрогеназы с НАДФ(Н). Реакция гидрирования протекает при участии АТФ , гидролиз которой обеспечивает ее необходимой энергией.

лению азота, но степень окисления атомов водорода при этом не изменяется. Следовательно, при гидрировании субстрата в ж и ­ вой системе восстановителем являются атомы углерода восста­ новленной формы кофермента, а не атомы водорода, как это час­ то утверждают некоторые учебники.

Реакции восстановления в отличие от реакций окисления являются, как правило, эндэргоническими. П оэтому в организ­ ме в некоторых случаях осущ ествляется сопряжение этих реак­ ций, а в качестве посредника между ними обычно выступают дегидрогеназы с коферментом НАДФ(Н). Восстановленная фор­ ма этого кофермента НАДФ(Н) переносит электроны и протоны от реакций окисления к реакциям восстановления.

Экзэргоническая

реакция

Таким образом, оксидоредуктазы с восстановленной формой кофермента могут служить, наряду с АТФ, аккумуляторами энер­ гии в клетке. Однако отдавать энергию эти соединения будут только выступая восстановителями при взаимодействии с био­ субстратами-окислителями.

Дегидрогеназное окисление субстратов обычно протекает в ми­ тохондриях клетки, где оно сопряжено с восстановлением кисло­ рода и синтезом АТФ, т. е. с окислительным фосфорилированием.

9.3.6.ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Процесс окислительного фосфорилирования протекает в ми­ тохондриях на их внутренней мембране, где расположены два ансамбля ферментов. Один состоит из оксидоредуктаз (электро­ нотранспортная цепь), а второй - АТФ -синтаза. Работа этих ан­

229

самблей сопряжена за счет общего для них компонента - прото­ на, как показано на рис. 9.2.

Сопряжение дегидрогеназного окисления под действием м о­ лекулярного кислорода и работы двух указанных ансамблей ферментов составляет суть дыхательной цепи клетки, которая является основным источником энергии для жизнедеятельности аэробных организмов.

Ансамбль оксидоредуктаз ЭТЦ обеспечивает протекание сле­ дующ их жизненно важных процессов:

-окисление (дегидрирование) субстрата на одном конце ЭТЦ;

-восстановление молекулярного кислорода до воды на дру­ гом конце ЭТЦ;

-перенос электронов по ЭТЦ между указанными процессами;

-перенос протонов сквозь мембрану из матрикса в меж мем­ бранное пространство с созданием по разные стороны внутрен­ ней мембраны трансмембранного протонного потенциала ф(Н+).

Дегидрогеназное окисление начинается с окисления субстрата дегидрогеназой, которая является крайней в ЭТЦ. Она активирует субстрат и с помощью окисленной формы кофермента, например НАД+, отщепляет от него два электрона и два протона, переходя при этом в сопряженную восстановленную форму НАД(Н). Таким образом электроны из субстрата попадают в ЭТЦ и передаются по ней последующим компонентам вплоть до молекулы кислорода. Про­ стейший вариант ЭТЦ дыхательной цепи представлен на рис. 9.3.

Последний компонент ЭТЦ - цитохромоксидаза (цитохром а,аз) в отличие от других цитохромов содержит не только ка­ тионы железа, но и катионы меди. Цитохромоксидаза, взаимо­ действуя с молекулой кислорода, активирует ее и восстанавли­ вает, передавая каждому атому кислорода два электрона, полу­ ченных по ЭТЦ от окисляемого субстрата.

Движение электронов по ЭТЦ происходит ступенчато от ве­

ществ с низким потенциалом (фо = -0 ,3 2 В) к веществам с вы со­ ким потенциалом (фо = +0,82 В). ЭДС этого процесса Е = 0,82 - - (-0 ,3 2 ) = 1,14 В. Положительное значение ЭДС процесса ука­ зывает, что перенос электронов по данной цепи сопровождается уменьшением энергии Гиббса:

AG = -zFE = - 2 •9 6 5 0 0 • 1,1 4 = - 2 2 0 к Д ж /м о л ь

т. е. является экзэргоническим. Энергия, которая выделяется в ре­ зультате окисления субстрата и переноса двух электронов по ЭТЦ на кислород, используется на перенос протонов из матрикса сквозь внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Этот перенос протонов против градиента их концентрации осуществляется опре­ деленными оксидоредуктазами или их ассоциатами в ЭТЦ (рис. 9.3). В результате на внутренней мембране возникает трансмембранный потенциал ф(Н+), обусловленный наличием градиента концентра­ ции протона (АрН « 1,4) по разные стороны этой мембраны.

Согласно хемиосмотической гипотезе лауреата Н обелевской премии П. Митчела, выведенные из матрикса в межмембранное

2 30

/ / / /7/ 7777/ / //~/ /7/77/ / / // И // / / / / / / / / / / / // / / // / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /777

Внешняя мембрана

Увеличение восстановительного потенциала

Рис. 9.3. Схема электронотранспортной цепи дегидрогеназного окисления-восстановления в митохондриях

Рис. 9.4. Схема фотофосфорилирования (световой этап фотосинтеза) и изменения восстановительного потенциала ЭТЦ хлоропластов

кофермента НАДФ+, которая переходит в восстановленную форму НАДФ (Н).

Перенос электронов по ЭТЦ сопровождается движением про­ тонов из стромы хлоропластов в тилакоид сквозь его мембрану, создающим на ней трансмембранный протонный потенциал \|/(Н+). Благодаря протонному потенциалу через канал АТФ -синтазы про­ тоны самопроизвольно возвращаются в строму, обеспечивая син­ тез АТФ и АДФ . Таким образом, на световом этапе фотосинтеза (фотофосфорилирование) в результате дегидрогеназного окисления воды и поглощения света образуются два богатых энергией веще­ ства - Н АД Ф (Н ) и А ТФ . П ричем число образую щ ихся молекул

233

НАДФ(Н) и АТФ полностью соответствует потребности эндэргонических реакций, протекающих на темновом этапе фотосинтеза. Эффективность преобразования энергии в процессе фотофосфори­ лирования составляет около 39 % .

Т е м н о в о й э т а п ф о т о с и н т е з а протекает в строме хлоропластов. Полученные на световом этапе АТФ и Н АДФ (Н ) используются в эндэргоническом поэтапном восстановлении СО2 с образованием глюкозы и воды при участии ансамбля фермен­

Благодаря фотосинтезу решаются проблемы не только обмена веществ в растениях, но и дыхания и питания всего животного мира. Ежегодно на Земле за счет этого процесса утилизируется 3,43 •1011 т С 02, выделяется 2,5 •1011 т кислорода и образуется 2,3 •1011 т углеводов. Причем 90 % этих количеств получается в водах океана, а 10 % - на суше.

9.3.8.0КСИГЕНАЗН0Е ОКИСЛЕНИЕ-ВОССТАНОВЛЕНИЕ

Оксигеназное окисление субстрата кислородом совершается в клетке при участии ферментов монооксигеназ и диоксигеназ. Его особенность заключается в том, что оно совершается без сопря­ жения с синтезом АТФ , а его главная задача - окислить субстрат (обычно с целью детоксикации последнего). Особенно это относит­ ся к чужеродным субстратам не природного происхождения на­ зываемым ксенобиот иками. Детоксикация эндогенных и экзо­ генных субстратов за счет их окисления кислородом заключается

впревращении их из гидрофобных в более гидрофильные соеди­ нения, которые не накапливаются в клетках, а могут переходить

вводную фазу и удаляться из клетки вместе с ней.

Монооксигеназное окисление субстрата (гидроксилирование) осуществляется с помощью ансамбля ферментов, который локали­ зован в эндоплазматических мембранах клеток печени и надпо­ чечников, и поэтому оно часто называется микросомалъным окис­ лением. Ансамбль ферментов содержит цитохром Р-450 с катио­ ном железа (Fe3+ ^5=^ Fe2+) в активном центре, где начинается окисление субстрата и циклическую ЭТЦ с ответвлением. Крайним компонентом ответвления этой цепи является оксидоредуктаза с коферментом в восстановленной форме, обычно НАДФ(Н). Из-за взаи­ модействия цитохрома Р-450 с субстратом и кислородом происходит их активация и окисление не только субстрата, но и НАДФ(Н) ан-

234

Рис. 9.5. Схема гидроксилирования субстрата с помощью цитохрома Р-450

самбля ферментов. Благодаря этому цитохром Р-450 отдает молеку­ ле кислорода четыре электрона. В результате один из атомов молеку­ лы кислорода внедряется по связи С~Н молекулы окисляемого суб­ страта, а другой - восстанавливается с образованием воды (рис. 9.5).

Одна из главных особенностей цитохрома Р-450 - это спо­ собность его белка изменять свою конформацию в ответ на по­ явление в организме того или иного субстрата (ксенобиотика), обеспечивая тем самым эффективное взаимодействие с ним. За счет такой приспособляемости цитохром Р-450 является уни­ версальным ферментом детоксикации, способным взаимодейст­ вовать почти с любыми соединениями, содержащ ими гидрофоб­ ные фрагменты и трансформировать их в результате реакций окисления-восстановления в более гидрофильные. По сути дела, цитохром Р-450 способен защищать живые организмы не толь­ ко от многих уж е синтезированных токсичных веществ, но и от тех, которые могут быть получены в будущем. Вследствие из­ меняемости белкового фрагмента цитохрома Р-450 его окисли­ тельно-восстановительные свойства тоже изменяются, о чем свидетельствует большой интервал значений его восстанови­ тельного потенциала (фб = -0 ,4 1 ч- -0 ,1 7 В).

Гидроксилированию подвергаются алифатические предель­ ные и непредельные углеводороды, соединения с алкильными заместителями, ненасыщенные жирные кислоты, циклические предельные, ароматические и гетероароматические соединения, стероиды, желчные кислоты, холестерин. Например, гидроксилирование алифатического заместителя в пентобарбитале:

Гидроксилирование бензольного кольца в фенобарбитале:

235