, где два отдельных фермента катализируют соответственно расщепление боковой цепи холестерина до прегнено-лона (гл. 44) и реакции гидроксилирования различных стероидов в положении 11 ?. Индуктор этих ферментов — адренокортикотроп-ный гормон (гл. 48), который, кроме того, индуцирует образование небольшого белка, по-видимому связывающего стероиды и приводящего их в эффективный контакт с активным центром цитохрома Р^о. Холестериндесмолаза получена в форме чистого белка (мол.

13. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. II

Б!5

масса 60 000) с одним гемом; она образует 4-, 8- и 16-членные полимеры, нз которых только один обнаруживает ферментативную активность. Оба фермента из надпочечников обладают отчетливым спектром ЭПР. Высокоспиновые формы представляют собой ферменты в состоянии Fe3+, а низкоспиновые формы — комплексы фермента с субстратом. 1 ??-Оксигеназа (?? =—400 мВ), характеризуется значением g = 7,9. Для фермента, расщепляющего холестерин, g = 8,2, а ?? = —320 мВ.

Оба фермента надпочечников получают электроны не от фла-вопротенда, а от железосеропротеида адренодоксина (разд. 13.2.1), для которого Ее =—270 мВ. В свою очередь последний восстанавливается специфичной NADPH-зависимой адренодоксинредуктазой (мол. масса 54 000) с Е'о=—275 мВ, которая содержит один FAD на молекулу.

Многое для понимания природы и функций таких ферментов дало изучение системы, которая оксигенирует камфору до экзо-5-ОН-камфоры в клетках Pseudomonas putida. Компоненты- этой системы очень удобны для исследования, так как представляют собой водорастворимые цитоплазматические ферменты. В других отношениях указанная система напоминает систему надпочечников, так как состоит из цитохрома Р450 (мол. масса 45 000, ?? = =—380 мВ), (Fe2S2)-протеида, путидаредоксина (мол. масса 12 500, Е'0 = —196 мВ), для которого известна полная аминокислотная последовательность, и NADPH-зависимой содержащей FAD редуктазы (мол. масса 43 500, Е'0 =—285 мВ).

Прямое восстановление цитохрома Р450 с помощью NADPH представляется маловероятным ввиду неблагоприятного соотношения их потенциалов. Однако цитохром Р450 быстро связывает камфору на активном центре, в результате чего у-полоса поглощения смещается от 571 до 646 нм, ннзкоспиновое железо со значениями g, равными 2,45, 2,26 и 1,91, переходит в высокоспиновое (g = 8,4 и 1,8), а Ее увеличивается до —180 мВ. Химическое восстановление этого комплекса приводит к образованию продукта камфора-P45o-Fe2+-02, для которого ?? составляет 0 мВ. Цитохром Р45о образует прочный активный комплекс с путидаредоксином (константа диссоциации 3 мкмоль/л), а последний также прочно связывается в соотношении один к одному с флавопротеидом. Таким образом, электроны легко движутся от NADPH (?0 =—320 мВ) к комплексу камфора-Р450, восстанавливая железо до Fe2+, а затем к относительно стабильному продукту присоединения кислорода — камфора-Ре2+-02, что обеспечивает условия для гидроксилирования.

Даже сравнительно поверхностные наблюдения указывают на сходство характеристик всех Р45о-систем. Холестерин не влияет на изолированную холестериндесмолазу в отличие от того воздействия, которое оказывает камфора на Р450 из P. putida, но вместе

516

[II. МЕТАБОЛИЗМ

Г"

5%

Рис. 13.18. Каталитический цикл встраивания одного атома кислорода при участии цитохрома Р450. Цифры около стрелок обозначают константы скорости реакции второго порядка. В процентах выражена молярная доля каждого компонента от суммы всех участвующих в процессе веществ (в стационарном состоянии).

с тем стероид влияет аналогичным образом на поведение комплекса флавопротеид-адренодоксин-Р450; адренодоксин и Р450 образуют комплекс, для которого константа диссоциации составляет <10~9. Как в системе надпочечников, так и в системе Pseudomonas относительно медленный перенос электронов от железосероцентра к гему — стадия, лимитирующая скорость процесса.

Предполагаемый механизм самого гидроксилирования изображен на рис. 13.18. Две восстановительные стадии лимитируют скорость; все остальные стадии происходят по крайней мере в 100 раз быстрее.

Описаны и другие типы систем бактериальных монооксигеназ, например система, в которой рубредоксин заменяет железосеро-протеид ферредоксинового типа и восстанавливает простой желе-зопротеид, а также системы, в которых железосеропротеид, по-видимому, сам является монооксигеназой; но такие системы редки.

:.3. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. II

517

13.6.7. Гем-оксигеназа

Фермент, который превращает гем в биливердин (гл. 32), гем-оксигеназа, находится в эндоплазматической сети клеток печени и селезенки и, очевидно, в связи с этим до сих пор не был выделен в форме водорастворимого, активного фермента. Количество фермента увеличивается в 10—25 раз после введения металлов ¦с переменной валентностью, особенно Со2+. Фермент уникален в том смысле, что остаток гема, расположенный на его поверхности, катализирует реакцию своего собственного монооксигенирования. Восстановительные эквиваленты поставляются либо NADH, либо NADPH через флавопротеидредуктазу, которая восстанавливает железо до Fe2+. Фермент, по-видимому, не имеет никакой другой простетической группы. Кислород, связанный с Fe2+, вероятно, активируется, как в цитохроме Р450. По всей вероятности, боковые гидрофобные цепи таким образом ориентируют плоскость гема в гидрофобной щели белка, что обеспечивают возможность встраивания одного атома кислорода в углеродный мостик между I и II кольцами порфирина, в то время как другой атом кислорода восстанавливается до Н20. Последующее присоединение воды приводит к возникновению нестабильной структуры, от которой отщепляется мостиковый углерод в форме монооксида углерода, в результате чего образуется биливердин.

аЗ.6.7.1. Цитохром Ъ'

Первая, обнаруженная в мнкросомах электронпереносящая система— это система восстановления цитохрома Ь5 за счет NADH; биологическая роль этой системы остается неизвестной. Цитохром Ь5 восстанавливается NADH-цитохром Ьъ — редуктазой, содержащей на молекулу (?? =—280 мВ) один FAD, который совершает циклические переходы между полностью восстановленной и окисленной формами. Цитохром Ьъ (мол. масса 11 ООО) прочно связан ¦с эндоплазматической сетью своей обширной гидрофобной областью. Редуктаза также сравнительно гидрофобна. Хотя наружная поверхность области цитохрома Ь$, где находится гем, гидрофильна, она лежит в глубокой гидрофобной щели, причем карбоксильные группы пропионовой кислоты ориентированы наружу. Добавление очищенного цитохрома Ь5 к микросомам приводит к его связыванию в количестве, в 10 раз превышающем нормальную концентрацию. В мембране существует почти десятикратный избыток этого цитохрома по сравнению с концентрацией редуктазы, так что для их взаимодействия требуется перемещение редуктазы. Восстановленный цитохром Ь5 медленно самоокисляется с образованием супероксидного аниона. Этот механизм может быть (основным генератором суперпероксида в клетках печени.

518

III. МЕТАБОЛИЗМ

13.7. Другие переносчики электронов

13.7.1. Убихинон

В митохондриях присутствует группа родственных хинонол, которые восстанавливаются, когда митохондрии инкубируютст анаэробно с различными субстратами. До установления структур; ? этих хинонов они назывались просто коферментами Q. Структура этого типа соединений приведена ранее (разд. 12.4), а их роль в транспорте электронов обсуждалась в разд. 12.4.1.

13.7.2. Глутатион

Глутатион, ?-глутамилцистеинилглицин (GSH), встречается во всех животных тканях. Поскольку свободный цистеин присутствует только в незначительных количествах, то глутатион представляет собой самое распространенное сульфгидрпльное соединение в клетках, и, по-видимому, его функция заключается в /поддержании в активной конформации многих ферментов. Самопроизвольное окисление этих ферментов может привести к образованию дисульфида. Последовательные реакции обмена дисульфидных групп с глутатионом служат для восстановления активных сульфгид-рильных форм (Е — фермент).

2Е—SH + 02-- ?—S—S—? -f ?202

?—S—S—? -f- GSH -*¦ E—SH + ? -S—S—G

E—S—S—G + GSH -»- E—SH +G—S—S—G

Окисленный глутатион может затем восстановиться широко распространенным флавопротеидом глутатионредуктазой, которая утилизирует NADPH (разд. 13.2).

NADPH -f- Н+ + GSSG -> NADP^ + 2GSH

13.7.3. Аскорбиновая кислота

Аскорбиновая кислота часто употреблялась в качестве восстановителя в лабораторных экспериментах. Как известно, она требуется для функционирования системы, гидрокенлирующей с Ре2+-а-кетоглутаратом (разд. 13.6.4), для таких процессов, как оксигенация допамина (рис. 13.17), и, возможно, для действия системы, восстанавливающей фолат до тетрагидрофолата (гл. 21). При окислении образуется дегидроаскорбиновая кислота; специфи-

13. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. II

519

ческий восстановитель для этого соединения в животных тканях не известен.

о=с-I

НОС

II

нос I

HC-

HOCH

о

о=с— I

о=с I

о=с I

НС—

I

носн

о

+ 2Н+ + 2е

СН2ОН

аскорбиновая киспота

СН2ОН ЭегиЭроаскорбинова я

кислота

13.7.4. Пероксид и супероксид

Молекулярный кислород 02 является парамагнитным, потому что он содержит два неспаренных электрона с параллельно ориентированными спинами. Эти неспаренные электроны находятся на разных орбиталях, поскольку два электрона не могут занимать одну и ту же орбиталь, если только их спины не противоположны {антипараллельны). Соответственно восстановление 02 путем прямого введения пары электронов в его частично заполненные орби-талн невозможно без «обращения» спина одного из двух электронов. Ввиду того что такое обращение спина — относительно медленный процесс, 02 гораздо менее реакционноспособен, чем можно было бы ожидать. Электронно-возбужденные состояния 02, который не содержит неспаренные параллельные спины, как, например, синглетные состояния, которые наблюдаются при-фотосенси-билизированных окислительных процессах, гораздо более реакци-онноспособны, чем основное состояние. Если бы не спиновые запреты, сосуществование свободного молекулярного кислорода и органической материи было бы маловероятно.

Спиновый запрет