Кофакторы ферментов класса оксидоредуктаз

Кофакторы ферментов класса оксидоредуктаз

Класс оксидоредуктаз объединяет ферменты, катализирующие реакции окисления-восстановления. Окисление в организме протекает как процесс отнятия водорода или электронов от субстрата, а восстановление — как присоединение водорода или электронов. Таким образом, оксидоредуктазы ускоряют перенос атомов водорода или электронов с одного вещества на другое.

К оксидоредуктазам принадлежат дегидрогеназы — ферменты, катализирующие перенос атомов водорода от одного субстрата на другой. Если фермент катализирует реакцию отщепления водорода непосредственно от окисляемого вещества, дегидрогеназу называют первичной. В том случае, когда дегидрогеназа катализирует дегидрирование субстрата, получившего водород от первичной дегидрогеназы, фермент квалифицируют как вторичную дегидрогеназу. Субстратом для нее может быть и первичная дегидрогеназа. Конечным акцептором водорода, отщепляемого дегидрогеназами от окисляемого субстрата, могут быть различные соединения.

Рассмотрим подробнее класс ферментов — оксидоредуктазы.

Эти ферменты катализируют окислительно-восстановительные реакции с участием двух субстратов — S и S':

Sвосст + S’окисл == Sокисл + S’восст.

Вспомним, что в химии окисление определяется как удаление электронов (или протонов), а восстановление — как присоединение электронов (или протонов). Отсюда ясно, что специальностью окислительно-восстановительных ферментов является удаление или присоединение электронов.

Окислительно-восстановительные реакции играют очень важную роль в организме:

• 1. Прежде всего, надо назвать их энергетическую функцию. В ходе окислительно-восстановительных реакций образуется энергия.
• 2. Анаболическая функция, т. е. оксидоредуктазы могут участвовать и в процессах синтеза.
• 3. Обезвреживание вредных веществ, перекисей, продуктов перекисного окисления липидов, токсинов.

Различают несколько групп окислительно-восстановительных ферментов:

I. Дегидрогеназы. Это ферменты, которые катализируют отщепление или присоединение водорода. Дегидрогеназы бывают разные, различают несколько подклассов ДГ.

Прежде всего ДГ различают в зависимости от того, переносятся ли Н+ и е — на кислород или реакция идет без кислорода. ДГ разделяются на анаэробные дегидрогеназы и аэробные. Анаэробные дегидрогеназы удаляют водород из субстрата, без использования кислорода. Например, алькоголь ДГ является анаэробной, т.к. эта реакция протекает без участия О₂. Другой пример:

СН₃-С-СООН ======ЛДГ=====СН₃-СН-СООН О ОН ПВК Мол. к-та Анаэробные ДГ являются НАД и НАДФ-зависимыми дегидрогеназами, т. е., их коферментом является НАД (никотинамидадениндинуклеотид) или НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Эти коферменты могут свободно диссоциировать из комплекса с апоферментом.

Водород, который отнимается этими ДГ, может использоваться в двух разных путях:

Пути использования водорода: а) используется в процессе тканевого дыхания; б) использование в восстановительном синтезе.

Следует запомнить, что НАД-зависимые дегидрогеназы катализируют окислительно-восстановительные реакции окислительных путей метаболизма и участвуют в производстве энергии в клетке. НАДФ-зависимые дегидрогеназы участвуют в процессах восстановительного синтеза, например, в синтезе высших жирных кислот, холестерина.

Кроме НАД и НАДФ, коферментами анаэробных дегидрогеназ могут быть также ФМН и ФАД. Эти дегидрогеназы либо переносят электроны в дыхательной цепи, либо поставляют электроны для нее.

Аэробные дегидрогеназы — катализируют отнятие (отщепление) водорода из субстрата с использованием кислорода. Продуктом реакции является перекись водорода, а не вода. Коферментом этих ферментов является ФАД (флавинадениндинуклеотид) или ФМН (флавинмононуклеотид):

S-Н₂ + ФАД + О₂ — S + ФАДН₂ + О₂ — S + ФАД + Н₂О₂

Эти реакции имеют большое значение для белых клеток крови — лейкоцитов. Благодаря образованию в них Н2О2 они обладают большой бактерицидной силой, т. е. могут убивать бактерии. В этом случае Н2О2 играет защитную роль, если только не будет его излишка. В противном случае Н2О2 сама повреждает клетки, и тогда ее нужно удалять или обезвреживать. Для этого существуют специальные ферментные системы.

Еще раз запомним, что коферментами анаэробных ДГ могут быть как НАД и НАДФ, так и ФАД и ФМН. коферментами аэробных ДГ бывают только ФАД и ФМН.

• 2) Отсюда по химическому составу их коферментов различают флавиновые дегидрогеназы (содержат ФАД или ФМН в качестве кофермента) и пиридиновые (коферментом являются НАД⁺ или НАДФ).
• 3) В живой клетке ферменты работают, как правило не в отрыве один от другого, а в определенной взаимосвязи. При этом первый фермент может взаимодействовать с каким-то субстратом, а второй — с первым ферментом или с его коферментом. Создается цепочка реакций, в который каждый фермент имеет свое место. Поэтому выделяют первичные ферменты и вторичные. Что касается ДГ, то они также могут быть первичными или вторичными. Это зависит от того, с чего они забирают Н+ и еОт того, что они окисляют, различают первичные дегидрогеназы и вторичные. Первичные ДГ отнимают Н⁺ непосредственно от субстрата, от химического соединения, которое в результате окисляется. Например,

СН₃СН₂ОН — алкогольДГ — СН₃-С-Н + НАДН₂

_{(этанол) НАД}⁺ _{!! (ацетальдегид — яд!!)}

О В плохих винах много альдегида, с чем связано их токсическое действие. АлкогольДГ — первичная дегидрогеназа, она отнимает Н+ непосредственно от сусбстрата. При этот НАД-ДГ сама восстановилась, и теперь ее тоже нужно окислить, т. е. отнять у нее Н+. Для этого существуют вторичные дегидрогеназы. Вторичные ДГ, как правило, флавиновые, т. е. у них коферментом будет флавиновое производное — ФАД или ФМН. Реакция будет протекать так:

НАДН₂ + ФАД — НАД⁺ + ФАДН₂

Итак, еще раз повторим: ДГ бывают: 1) анаэробные (работают без кислорода) и аэробные (работают в присутствии кислорода, продуктом является Н2О22; 2) флавиновые дегидрогеназы (содержат ФАД или ФМН в качестве кофермента) и пиридиновые (коферментом являются НАД+ или НАДФ). 3) первичные и вторичные ДГ.

II. Следующий подкласс окислительно-восстановительных ферментов.

— Оксидазы. Они удаляют водород из субстрата. Они также используют кислород, но в отличие от аэробных дегидрогеназ, их продуктом является молекула воды. Эти ферменты обязательно содержат медь или железо, т. е. металлы с переменными валентностями. Благодаря этому они легко связывают е^- и переносят их субстрата или какой-либо из ДГ на кислород.

Главными представителями этого подкласса являются ферменты, локализованные в митохондриях и катализирующие реакцию, в результате которой е ^- переносится на О₂. Это цитохромы и цитохромоксидазы. Они содержат две молекулы гема, в каждой из которых атом железа может переходить из Fe²⁺ в состояние Fe³⁺. Эти ферменты являются важнейшей составной частью так называемой дыхательной цепи. Т. е. мультиферментного комплекса, расположенного во внутренней мембране митохондрий. С помощью этих ферментов и происходит образование энергии, которая потом переходит в энергию макроэргических связей АТФ. Подробнее о строении и функции цитохромов мы поговорим попозже, когда будем разбирать энергетический обмен и тканевое дыхание.

III. Следующий подкласс окислительно-восстановительных ферментов — это гидроксипероксидазы. Эти ферменты используют в качестве субстрата перекись водородаили органические перекиси, например перекиси липидов. Т. е. это как раз те ферментные системы, которые обезвреживают Н₂О₂ и другие перекиси_. Рассмотрим подробнее, как эти системы работают.

Перекисному окислению в организме подвергаются прежде всего фосфолипиды клеточных мембран. Продукты перекисного окисления липидов: образующиеся гидроперекиси, и, особенно, супероксидный радикал О₂^- обладают сильной разрушительной силой на клеточные мембраны. В клетках-фагоцитах этот процесс имеет положительное значение, т.к. определяет микробицидную способность фагоцитирующих клеток: макрофагов и лейкоцитов. Их пероксидазы, играющие огромную роль в защитной функции фагоцитирующих клеток, в их микробицидной функции.

Но с другой стороны, очень часто именно ПОЛ является тем процессом, который запускает воспалительные, деструктивные явления в тканях.

Поэтому в организме существуют системы защиты от ПОЛ. Частичная детоксикация Н₂О₂ и О₂^- происходит при участии природных антиоксидантов, например, аскорбиновой кислоты, витамина Е, глутатиона.

Детоксикация О₂^- представляет собой ферментативную реакцию, которую катализирует фермент супероксиддисмутаза. При этом образуется Н₂О₂:

О₂^- + О₂^- + 2Н⁺ — супероксиддисмутаза — Н₂О₂ + О₂

Далее Н2О2 обезвреживается также под действием ферментов — каталаз и пероксидаз. Так, в эритроцитах имеется глутатионпероксидаза, катализирующая разложение перекиси водорода и защищающая липиды мембран и гемоглобин от окисления перекисями.

Н₂О₂ + ГТ-Н₂ — пероксидаза-2Н₂О + ГТ дегидрогеназа каталаза фермент биологический В эритроцитах имеется также фермент каталаза. Каталаза способствует разрушению перекисей и, таким образом, защищает клетки от повреждающего действия перекисных радикалов:

2Н₂О₂-каталаза-2Н₂О + О₂