Биологический каталог




Основы биохимии

Автор Ю.Б.Филиппович

с фосфорилированием АДФ. Определяя содержание аденазинпиро-фосфорной кислоты, условно названной им пирофосфатом, в энергично дышащих эритроцитах голубя, он установил, что в атмосфере азота оно падает, а в атмосфере кислорода — возрастает до исходной величины. Повторение периода анаэробиоза с возвращением к аэробиозу сопровождалось новым

415

циклом «распад—ресинтез» пирофосфата. Это означало, что существует какой-то механизм, при помощи которого энергия, выделяющаяся при окислении (в присутствии кислорода), не рассеивается, а используется для связывания, деминерализации неорганического фосфата, который обнаруживается в макроэргических связях аденозинтрнфосфата: АДФ + Н3РО4-+АТФ + Н2О.

Позже идеи В. А. Энгельгардта были более детально разработаны В. А. Белицером с сотр., внесшими существенный вклад в развитие проблемы сопряжения окисления с фосфорилированием в период ее становления. В частности, В. А. Белицером было введено понятие: коэффициент окислительного фосфорилирования, т. е. отношение количества молей синтезированной АТФ к количеству молей кислорода, использование которого обеспечивало этот синтез. Будучи вычислено после ряда измерений, значение коэффициента оказалось в среднем близким к 3,0, что свидетельствовало о том, что перенос двух атомов водорода (а в дальнейшем—двух электронов) по дыхательной цепи ферментов сопровождается синтезом трех молекул АТФ, т. е. существует три пункта сопряжения окисления с фосфорилированием АДФ.

Исследование тонких механизмов сопряжения окисления с фосфорилированием, являющееся фундаментом биоэнергетики, продолжается уже более полустолетия и еще далеко от завершения. Ниже будет освещено его нынешнее состояние, отражающее всю сложность современных проблем биологического окисления.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ И ИХ ЛОКАЛИЗАЦИЯ В КЛЕТКЕ

Приведенный выше краткий исторический очерк содержит достаточно конкретного материала для того, чтобы стало понятным существование двух типов биологического окисления.

1. Свободное окисление, не сопряженное с фосфорилированием АДФ, не сопровождающееся трансформацией энергии, выделяющейся при окислении, в энергию макроэргических связей. При свободном окислении высвобождающаяся при сопряженном с окислением распаде химических связей энергия переходит в тепловую и рассеивается.

По типу свободного окисления идут все без исключения оксигеназные реакции, все окислительные реакции, ускоряемые пероксидазами или сопровождающиеся образованием Н202, многие реакции, катализируемые оксидазами.

Процессы свободного окисления сосредоточены в цитозоле, в мембранах эндоплазматической сети клетки, в мембранах лизосом, пероксисом и аппарата Гольджи, на внешних мембранах митохондрий и хлоропластов. Они идут также в ядерном аппарате клетки.

2. Окисление, сопряженное с фосфорилированием АДФ. Этот тип биологического окисления осуществляется двумя способами.

Если макроэргическая связь возникает в момент непосредственного окисления субстрата, а затем тем или иным путем передается на фосфатный остаток, который, в свою очередь, используется для фосфорилирования АДФ, т. е. синтеза АТФ, то такой вид биологического окисления называют окислением, сопряженным с фосфорилированием АДФ на уровне субстрата. Ранее такой способ называли фосфорилирующим окислением или субстратным фосфорилированием.

Если атомы водорода с коферментов дегидрогеназ, принимающих участие в окислении субстратов, передаются в оксидоредуктазную цепь, где сопряженно с переносом протонов и электронов на молекулярный кислород происходит

416

активирование неорганического фосфата и при его посредстве фосфорилирование АДФ с образованием АТФ, то такое сопряжение окисления с синтезом АТФ называют сопряжением на уровне электронотранспортной цепи. Понятно, что сам окисляемый субстрат в этом случае непосредственного участия в активировании неорганического фосфата не принимает. Ранее этот вид биологического окисления называли окислительным фосфорилированием и отождествляли с дыханием.

Сопряжение окисления с фосфорилированием, т. е. генерирование АТФ для нужд клеток, идет главным образом на внутренних мембранах митохондрий. Именно здесь осуществляется сопряжение окисления с фосфорилированием на уровне электронотранспортной цепи. Что касается субстратного фосфорили-рования, то оно сосредоточено в растворимой части клетки.

Фотосинтетическое и хемосинтетическое фосфорилирование АДФ, сопровождающееся биосинтезом АТФ, также происходит путем сопряжения переноса электронов в электронотранспортных цепях с активированием неорганического фосфата. Механизм этого сопряжения близок к таковому при окислительном фосфорилировании в митохондриях, что подчеркивает единую природу процессов, приводящих к синтезу АТФ у гетеротрофных и аутотроф-ных организмов.

СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Реакции свободного окисления органических соединений в живой природе, равно как и ферментные системы, ускоряющие их, многообразны, и многие из них рассмотрены в предьщущих главах и в начальном разделе этой главы. Этим путем непосредственно окисляются не только многочисленные природные и неприродные субстраты, но и восстановленные коферменты (НАДН, НАДФН, ФАД • Н2 и др.), образовавшиеся при действии первичных и вторичных дегидрогеназ.

Хотя реакции свободного окисления идут и в цитозоле, и на мембранах различных субклеточных структур, средоточием их являются мембраны эндоплазматической сети клетки. Так как последние при гомогенизации клеток и фракционировании субклеточных частиц гомогената дают фракцию микро-сом, которая может быть получена в виде препарата, то сейчас активно изучаются организация и функции микросомальной дыхательной цепи. Ее первая особенность сводится к тому, что, несмотря на наличие ферментов цепи переноса электронов, ни в одном пункте этой цепи не происходит сопряжения с фосфорилированием АДФ. Вторая особенность заключается в своеобразии структуры и функциональной активности цитохромов Ъ 5 и Р-450), входящих в ее состав. В частности, цитохром Р-450 (А/«50000, гемопротеин, первичная структура более десятка его форм расшифрована) обладает множеством (сотни, а может быть, и тысячи) форм, возникающих в ответ на введение (или попадание) в организм того или иного класса ксенобиотиков, подобно тому, как антитела синтезируются в ответ на присутствие антигенов; поэтому . цитохром Р-450 считают своего рода «мембранным иммуноглобулином».

Наконец, третья особенность состоит в высоком сродстве терминальной оксидазы микросомальных цепей к кислороду, позволяющая ей конкурировать за кислород с митохондриальной цитохромоксидазой. Поэтому, например, в клетках печени доля микросомального окисления эндогенных субстратов составляет 40%, а митохондриального—60%.

Наиболее своеобразными и почти не затронутыми в предыдущих главах являются реакции свободного окисления, идущие при участии оксигеназ. Этот

14—3502

417

подкласс оксидоредуктаз содержит ферменты, ускоряющие включение в окисляемый субстрат либо двух (диокситеназы), либо одного (монооксигеназы) атома молекулярного кислорода.

Свободное окисление при участии диоксигеназ. Одной из наиболее изученных диоксигеназ является пирокатехаза (катехол: кислород-1,2-оксидоредуктаза дециклизующая); ее М = 85000. Концентрированные растворы пирокатехазы красного цвета, так как она содержит в активном центре два прочно связанных атома Fe, которые, согласно О. Хайаиши, соединяются с молекулярным кислородом в комплекс, где кислород далее активируется: Fe2+-f-02-*Fe2+02-» -Fe3+02.

Затем в активном центре пирокатехазы после присоединения субстрата возникает тройной комплекс, преобразование которого приводит к включению молекулярного кислорода в пирокатехин:

Пирокатехин Муконовая

кислота

Аналогично действует катехол-2,3-оксйгеназа (М = 140 ООО, 1 атом Fe), 3,4-диоксигеназа протокатеховой кислоты (М = 700 ООО, 8x90000), образующая р-карбоксимуконовую кислоту, триптофаноксигеназа (М = 1231000), присоединяющая молекулярный кислород по пиррольному кольцу индолильного радикала, и другие диоксигеназы. Во всех случаях молекулярный кислород активируется за счет присоединения электрона, теряемого двухвалентным железом активного центра, а возникший анионный свободный радикал кислорода (02~) атакует и оксигенирует субстрат. В результате расшифровки механизма действия диоксигеназ стал ясен один из способов активирования молекулярного кислорода терминальными оксидазами.

Одной из биологически важных диоксигеназных реакций является превращение Р-каротина в витамин А:

Ретиналь (витамин А)

Прямое присоединение 1802 по 15,15'-связи в р-каротине впервые доказано Б. Б. Вартапетяном и сотр. (1966).

Свободное окисление при участии монооксигеназ. Ввиду высокой лабильности монооксигеназ, как, впрочем, и диоксигеназ, выделение их сопряжено с большими трудностями. Тем не менее некоторые из них получены в кристал-

418

лическом состоянии. Монооксигеназы характеризуются молекулярными массами от 65000 до 200000, отсутствием, как правило, в их составе ионов тяжелых металлов и наличием коферментов флавиновой природы. Кроме того, многие из них требуют участия в реакции монооксигенирования так называемого парного донора, от которого поступают атомы водорода на один из атомов молекулярного кислорода (второй внедряется в окисляемый субстрат).

Простейший представитель монооксигеназ—фенолгидроксилаза (фенол-2-монооксигеназа):

НАДФ+ + н,о

Фешм Пнрсптеош

0гон+°>+нлдфн+н* ОС

Монооксигеназы принимают большое участие в окислении аминокислот (лизин-, аргинин- и триптофанмонооксигеназы, фенил аланин- и тирозингид-роксилаза), оксикислот (салицилатгидроксилаза), полиизопреноидных соединений (сквален-эпоксидаза, см. с. 404).

Механизм действия монооксигеназ выяснен недостаточно. Предполагают, что активной формой кислорода может быть связанный с ферментом перок-сид водорода или его эквивалент. Между тем показано, что некоторые из монооксигеназ (фенолаза из грибов, фёниланин-4-гидроксилаза) содержат Си+ в своем составе. В этих случаях возможен такой механизм активирования кислорода:

Монооксигенаэа

'Си"1

'Си"1

+ субстрат

гидроксилированный

+ НАД+ + Н20

Здесь, как и в случае диоксигеназ, решающую роль в активировании молекулярного кислорода играет передача на него электронов с металла, входящего в состав фермента. Не исключено, что этот способ вовлечения молекулярного кислорода в процессы оксидоредукции в клетке является общим для оксидаз, участвующих как в свободном, так и в сопряженном с фосфорилированием биологическом окислении.

ОКИСЛЕНИЕ, СОПРЯЖЁННОЕ С ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ АДФ

Субстратное фосфорилирование. Примерами сопряжения окисления с фосфорилированием на уровне субстрата могут служить реакции окисления 3-фосфоглицеринового альдегида в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту, 2-фос-фоглицериновой кислоты—в 2-фосфоенолпировиноградную, а-кетоглутаровой кислоты—в янтарную кислоту (здесь фосфорилируется ГДФ—см. рис. 117). С возникающих при этом соединений фосфат, связанный макроэр-гической связью, легко передается на АДФ (или ГДФ). Один из примеров

419

Глюкоза Высшие жирные кислоты (ВЖК)

НАДН + Н+ НАД*

Окислительное фосфорилирование

Рис. 128. Локализация синтеза АТФ при субстратном и окислительном фосфорилирования (пояснения в тексте)

такого сопряжения и механизм переноса активированного фосфата на АДФ детально рассмотрены выше (см. рис. 114). Однако посредством реакций субстратного фосфорилирования образуется сравнительно небольшое количество АТФ (рис. 128).

Окислительное фосфорилирование. Главная масса АТФ у аэробных организмов синтезируется путем окислительного фосфорилирования в митохондриях—этих поистине энергетических фабриках клетки.

Атомы водорода, снятые с субстратов в цикле дикарбоиовых и трикарбою> вых кислот, при р-окислении высших жирных кислот, при пируватдегидрогеназ-ной, глутаматдегидрогеназной и некоторых других реакциях поступают в дыхательную цепь ферментов внутренней мембраны митохондрий. Универсальным донором атомов водорода для дыхательной цепи ферментов служит НАДН. Если при окислении субстрата возникает НАДФН, то осуществляется реакция

420

АДФ+Н3РО4 АТФ АДФ+Н3Р04 АТФ АДФ+Н3РО4 АТФ

Рис. 129. Компоненты дыхательной цепи митохондрий:

Ео—огаслительно-восстановительпые потенциалы компонентов дыхательной цепи; АЕ0—разность потенциалов между компонентами дыхательной цепи в точках сопряжения с фосфорилированием АДФ (подчеркнуты толстой черной линией); /, //, ///—точки сопряжения. Дыхательная цепь митохондрий более сложна, чем это показано на рисунке. При определенных условиях из нее можно выделить 4 комплекса, каждый из которых характеризуется своей молекулярной массой, полипептидным составом и значениями окислительно-восстановительных потенциалов (Ео). Комплекс I: М = 700—900 кДа, 25 полипептидов: комплекс II: М = 140 кДа, 4—5 полипептидов; комплекс III: М=250 кДа, 9—10 полипептидов; комплекс IV: М = 160—170 кДа, 8 полипептидов. Дыхательная цель примыкает к АТФ-синтазному комплексу (комплекс V: М = 500 кДа, 12—14 полипептидов), показанному на рис. 130 и 131. Таким образом, с трансформацией энергии в митохондриях связано около 70 различных полипептидов н б типов фосфолипидов сопрягающей мембраны (см. рис. «Блочная структура митохондрнальвой цепи» на форзаце в начале учебника)

НАДФН+НАД

НАДФ+ +НАДН

Следовательно, и в этом случае атомы Н перед поступлением в дыхательную цепь передаются на НАД* (рис. 128).

Другим первичным источником атомов водорода и электронов в дыхательной цепи служит восстановленный флавопротеин, если он выполняет роль первичной дегидрогеназы, как, например, в случае окисления янтарной кислоты в цикле трикарбоиовых и дикарбоиовых кислот (см. рис. 117). Флавопротеин, но несколько иной природы, служит передаточной инстанцией для атомов водорода и электронов от НАДН к убихинонпротеину дыхательной цепи.

На рис. 129 представлена дыхательная цепь ферментов митохондриальной мембраны. Естественно, что она открывается НАДН, с которого атомы Н передаются на первый белковый компонент дыхательной цепи—флавопротеин, несущий флавинмононуклеотид (ФМН) в качестве кофермента. Остальные компоненты дыхательной цепи располагаются в порядке возрастания их нормальных (измерены при 1 М концентрации и температуре 25° С, что обозначают индексом Е0 и рН 7,0 и маркируют значком ') окислительно-восстановительных потенциалов (?"0), обеспечивающих упорядоченную передачу атомов водорода и электронов по такой редоксцепи.

Самой примечательной особенностью дыхательной цепи ферментов является наличие в ней участков, где соседние компоненты резко' отличаются значениями окислительно-восстановительных потенциалов (Д?о):

Нормальные окислительно-восстановительные потенциалы соединений, участвующих в биологическом окислении

Окисленная форма

Число передаваемых электронов

Восстановленная форма

2 2 2

1

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2

-0,70 -0,67 -0,60 -0,45 -0,43 -0,42 -0,35 ¦ -0,32 -0,32 -0,30 -0,29 -0,29 -0,23 -0,22 -г0,20 -0,19 -0,17 -0,14 0,01 0,03 0,04 0,07 0,08

422

Продолжение

Окисленная форма Число передав

страница 67
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

Скачать книгу "Основы биохимии" (16.9Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(16.09.2019)