6.3. Дихальний ланцюг ферментів
Транспорт протонів і електронів від відновлених субстратів до кисню в процесі тканинного дихання здійснюється за допомогою ряду окислювально-відновлювальних ферментних систем (редокс-систем). Розрізняють три основні види оксидоредуктаз - окислювально-відновних ферментів:
1) піридинзалежні дегідрогенази (піридинферменти, піридинпротеїди або ПП), коферментом яких служать НАД або НАДФ;
2) флавінзалежні дегідрогенази (флавопротеїди або ФП), у яких простетичною групою служать ФМН або ФАД;
3) цитохроми, що містять як простетичну групу гем.
Послідовність окислювально-відновних систем в окисному ланцюгу визначається величиною їхнього редокс-потенціалу, утворюючи своєрідний ряд біологічного окислення. У послідовності окислювально-
відновлювальних систем пара НАД.Н – НАД + , (НАДФ.Н – НАДФ + ) має
найбільший негативний потенціал, менший негативний потенціал
має пара ФАД.Н - ФАД + (ФМН.Н - ФМН + ), в системі цитохром восстан-
новлений – цитохром окислений з'являється вже позитивний редокспотенціал, а пара Н 2 Про – 1/2О 2 має найбільший позитивний потенціал. У цьому система Н 2 Про – 1/2О 2 може окислювати все компоненти в дихальної ланцюга, які стоять перед нею.
Піридінпротеїди здатні віднімати від субстрату (первинних та вторинних спиртів, альдегідів, амінокислот, амінів, насичених та ненасичених сполук, таких як дикарбонові кислоти та кетокислоти та ін) атоми водню, окислюючи тим самим зазначені сполуки. Відомо понад 150 таких
6. Біологічне окиснення
піридинзалежних дегідрогеназ. Частина піридинзалежних дегідрогеназ локалізована в цитозолі, частина – у мітохондріях, а деякі присутні і тут.там. Відомі піридинзалежні дегідрогенази, що беруть участь у вуглеводному обміні - гліколіз (фосфогліцеринальдегіддегідрогеназа, лактатдегідрогеназа), в жировому обміні (α,β-гідроксіацил-КоА-дегідрогеназа), в обміні амінокислот (глута. Три піридинзалежні дегідрогенази беруть участь у мітохондріях у лимоннокислому циклі (ізоцитратдегідрогеназу, α-кетоглутаратдегідрогеназу та малатдегідрогеназу).
Функція переносників водню виконується динуклеотидами (НАД) завдяки тому, що вони можуть існувати в окисленій та відновленій формах. В окисленій формі атом азоту піридинового кільця аміду нікотинової кислоти НАД є четвертинним. При відновленні в піридиновому кільці відбувається перерозподіл електронів, атом азоту стає третинним (приєднання електрона), з нормальною електронною конфігурацією, один водень приєднується – n-положенні, а інший водень надходить у середу у вигляді вільного іона Н+ (тобто приєднуються два електрона та один протон, а один протон надходить у середу).
Крім НАД піридинпротеїди можуть містити як кофермент нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат (НАДФ). Цей кофермент є похідним НАД, у якого водень гідроксильної групи другого вуглецевого атома рибози заміщений залишок фосфорної кислоти.
НАДФ, поєднуючись зі специфічними білками, утворює велику групу піридинпротеїдів, що характеризується своїм набором субстратів. Механізм окислення за участю НАДФ як кофермент аналогічний такому за допомогою НАД. Понад те, НАД.Н 2 і НАДФ, як і НАД і НАДФ.Н 2 , за каталітичному участі спеціального ферменту– трансдегидрогеназы – здатні обмінюватися атомами водню і електронами.
Дегідрогенази, пов'язані з НАД, беруть участь головним чином у процесітканинного дихання, тобто. у процесі перенесення електронів від субстратів до кисню, тоді як дегідрогенази, пов'язані з НАДФ, беруть участь переважно у перенесенні багатих на енергію електронів, отриманих від субстратів у процесі катаболізму, до відновлювальних реакцій біосинтезу.
6. Біологічне окиснення
Усі пиридинпротеиды є анаеробними дегідрогеназами, тобто. вони передають атоми водню на найближчий в окислювальному ланцюзі інший фермент, але з кисень.
Партнером відновлених форм піридинпротеїдів в окисному ланцюгу, як правило, служать флавопротеїди. Флавопротеїди (скорочено ФП) є оксидоредуктазами з простетичною групою ізоаллоксазинової природи у вигляді флавінаденіндинуклеотиду (ФАД) та флавінмононуклеотиду (ФМН).
ФМН і ФАД, з'єднуючись з різними апоферментами, дають початок приблизно десяти флавопротеїдів, що відрізняються різною специфічністю до субстратів. Найбільш важливу роль серед флавінзалежних дегідрогеназ відіграють дегідрогеназу лимоннокислого циклу - сукцинатдегідрогеназу, дигідроліпоїлдегідрогеназу піруватдегідрогеназної і α-кетоглутаратдегідрогеназної ферментних систем, флавопротеїди, що каталізують першу стадію процесу окислення жир.
Основною функцією флавопротеїдів є перенесення атомів водню від відновлених піридинпротеїдів до інших учасників окислювально-відновного ланцюга. При цьому активною частиною молекули ФАД або ФМН є здатне відновлюватися ізоаллоксазинове кільце рибофлавіну. Атоми водню (електрони) приєднуються по подвійним зв'язкам ізоаллоксазинового угруповання з перерозподілом електронів в ізоаллоксазин і потім легко відщеплюються від відновленої форми.
Деякі флавопротеїди, особливо з ФАД як кофермент,можуть безпосередньо знімати атоми водню з субстрату, без участі піридинпротеїдів, при цьому редокс-потенціал субстрату повинен бути більш-позитивним, ніж у системі НАД.Н 2 - НАД + .
Подальша доля водню, що передається по системі окислювально-відновних ферментів, може бути різною. Відновлені форми більшості флавінових дегідрогеназ важко піддаються безпосередньому окисленню молекулярним киснем.
Було встановлено, що значно частіше між дегідрогеназами та молекулярним киснем можуть діяти посередники (на що вперше вказав В.І. Палладін). Атоми водню з відновленої дегідрогенази спочатку
6. Біологічне окиснення
надходять на окислену молекулу посередника, та був з неї на молекулярний кисень. Найпоширеніший варіант окислювально-відновного процесу в клітині полягає в окисленні атомів водню, знятих із субстрату дегідрогеназами, за допомогою цитохромної системи. Швидкість окислювального процесу в цитохромній системі значно перевищує таку в інших шляхах окислення, внаслідок чого вона визначає основний (головний) шлях термінального окислення і в цілому всього біологічного окислення.
Цитохромну систему утворюють кілька оксидоредуктаз, що мають як простетичні групи залізопорфірини. На можливу роль залізовмісних білків у біологічному окисненні вперше звернув увагу А.Я. Данилевський, суттєвий внесок у розробку цього питання зробив Варбург і Кейлін.
З'єднуючись з білками, залізопорфірини різних типів дають початок групі хромопротеїдів, що поєднуються під загальною назвою цитохроми. Кожен індивідуальний цитохром позначається малою латинською літерою а, в, с, і т.д. з відповідним порядковим індексом (наприклад: а, а 3; с,з 1 і т.д.), а клас цитохрому - великою латинською літерою А, В, С і т.д. Приналежність цитохрому до певного класу визначається будовою простетичної групи (залізопорфірину), а остаточна індивідуальність – будовою апоферменту (білка).
У мітохондріях клітин вищих тварин і рослин ідентифіковано п'ять різних цитохромів: с, 1, с, а, а 3 . В ендоплазматичній мережі вияв-
дружини ще цитохроми – у 5 та Р 450.
Цитохроми дуже міцно пов'язані з мітохондріальною мембраною і тому їх важко отримують у розчиненій гомогенній формі. Винятком є цитохром, який дуже легко екстрагується з мітохондрій. Будова цитохрому добре вивчено, він отриманий в кристалічному вигляді і в ньому встановлена амінокислотна послідовність.
Цитохроми мітохондріального дихального ланцюга утворюють цитохромну систему, що представляє впорядковане поєднання в єдиному комплексі різних цитохромів (цит. в, цит. з 1, цит. с., цит. а, цит. а 3), порядок яких визначається величиною їхнього редокс-потенціалу.
Цитохромна система не приймає атомів водню з флавін-залежної дегідрогенази, а приймає лише електрони, протони надходять у середу.
Отже, на етапі знань біологічне окислення, тобто. перенесення протонів та електронів до кисню здійснюється за допомогою системи різних окислювально-відновних ферментів.
Транспорт протонів та електронів на кисень від відновленого НАД (НАД.Н 2 ), що утворився при дії на субстрат піридин залежних дегідрогеназ, або від відновленого ФАД(ФАД.Н 2 ), що утворився при
6. Біологічне окиснення
дії на субстрат флавінзалежних дегідрогеназ у процесі функціонування лимоннокислого циклу та в окремихреакцій окислення продуктів гідролізу білків, жирів та вуглеводів, здійснюється за допомогою дихального ланцюга, локалізованого у внутрішній мембрані мітохондрій.
Мітохондріальний дихальний ланцюг включає наступні компоненти:
1) флавопротеїд (ФП), що містить як простетичну групу (коферменту) ФМН;
2) кофермент Q (або убіхінон);
3) залізосерні білки, що містять негемінове залізо;
4) цитохроми, з 1 , с, а, а 3 .
Протони та електрони від відновленого НАД(НАД.Н 2 ) піридинзалежних дегідрогеназ як лимоннокислого циклу, так і дегідрогеназ, функціо-
ніруючих поза лимоннокислим циклом, переносяться на флавопротеїд - перший
компонент мітохондріального дихального ланцюга. Цей флавопротеїд, напів-
чилий назву НАД.Н 2 -дегідрогеназу, знаходиться на внутрішній мітохонд-
ріальної мембрані, перетинаючи її впоперек. Він пов'язаний із залізосерними білками.
ми (залізосерними центрами), які беруть участь у передачі відновних
еквівалентів (тобто протонів і електронів) від флавопротеїду (ФМН.Н 2 ) на слі-
дующий компонент дихального ланцюга - убихинон. Убіхінон - це жирорас-
чинний хінон, що містить здебільшого тканин ссавців боко-
ний ланцюг з 10-ти ізопренових груп (До Q 10 ), здатний існувати як в
окисленої, так і у відновленій формі, що дифузує як поперек,
так і вздовж мембран мітохондрій. Убіхінон виконує колекторну функцію.
цію, збираючи відновні
еквіваленти не тільки від флавопротеїду
(НАД.Н 2 -дегідрогенази), але і від інших флавінзалежних дегідрогеназ, на-
які у мітохондріях як у складі лимоннокислого циклу, і поза ним
(зокрема, від сукцинатдегідрогеназилимоннокислого циклу, від ацил-КоА-
дегідрогенази, що бере участь у β-окисленні жирних кислот та ін.). Електрони
від відновленого убіхінону переносяться на кисень за допомогою системи