Биохимические механизмы аэробного биологического окисления

Транспорт высокоэнергетических электронов и протонов от окисляемого субстрата на кислород осуществляет система, состоящая из окислительно-восстановительных ферментов, локализованная на внутренней мембране митохондрий. В состав этой системы входят:

- пиридиновые дегидрогеназы, у которых в качестве коферментов выступают НАД (никотинамидадениндинуклеотид) или НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат);

- флавиновые дегидрогеназы (флавиновые ферменты), роль небелковой части у которых выполняют ФАД (флавинадениндинуклеотид) или ФМН (флавинмононуклеотид);

- убихинон (кофермент Q);

- цитохромы.

Пиридиновые дегидрогеназы. Строение НАД и НАДФ представлено на рис. 4.

Никотинамидаденин- Никотинамидаденинди-

динуклеотид (НАД) нуклеотидфосфат (НАДФ)

Рис. 4. Строение НАД и НАДФ

НАД и НАДФ являются динуклеотидами, нуклеотиды которых связаны пирофосфатной связью (через два соединенных между собой остатка фосфорной кислоты). В состав одного нуклеотида входит амид никотиновой кислоты (витамин РР), другой нуклеотид представлен адениловой кислотой. В молекуле НАДФ имеется дополнительный остаток фосфорной кислоты, присоединенный ко второму углеродному атому рибозы, связанной с адениловой кислотой.

НАД и НАДФ являются коферментами большого числа специфических для разных субстратов окисления дегидрогеназ. Связь между ними и белковой частью непрочная, они объединяются только непосредственно в момент реакции.

Некоторые пиридиновые дегидрогеназы локализованы в матриксе митохондрий. НАД-зависимые дегидрогеназы передают электроны и протоны в дыхательную цепь, НАДФ-зависимые дегидрогеназы служат источником восстановительных эквивалентов для реакций биосинтеза

Активной частью НАД и НАДФ является витамин РР. При взаимодействии с восстановленным субстратом пиридиновое кольцо витамина РР связывает два электрона и протон, второй протон остается в среде ( рис. 5).

Рис. 5. Окисление субстрата пиридиновыми дегидрогеназами

Флавиновые ферменты.В отличие от НАД и НАДФ, простетические группы флавиновых ферментов (ФАД и ФМН) прочно связаны с белковой частью. Обе простетические группы содержат метаболически активную форму рибофлавина (витамина В₂), к которой в процессе их восстановления присоединяются атомы водорода (рис.6).

Рис. 6. Окисление субстратов активной частью (витамин В₂) простетической группы флавиновых ферментов

ФАД - содержащие флавиновые ферменты выполняют функцию, аналогичную пиридиновым ферментам – являются первичными акцепторами электронов и протонов. Они непосредственно окисляют некоторые субстраты, например сукцинат (янтарную кислоту) или ацил-К_оА (активную форму любой жирной кислоты).

ФМН-зависимая дегидрогеназа выполняет роль промежуточного переносчика электронов и протонов между НАД и убихиноном, т.е. является непосредственным участником дыхательной цепи.

Убихинон (кофермент Q). Убихинон является производным бензохинона с длинной боковой цепью. Его строение представлено на рис.7.

Рис. 7. Строение кофермента Q (убихинона)

Кофермент Q играет роль промежуточного переносчика электронов и протонов в дыхательной цепи, непосредственно окисляя флавиновые ферменты. Место присоединения протонов и электронов – атомы кислорода в кольце бензохинона (рис. 8):

Рис. 8. Механизм переноса протонов молекулой кофермента Q (убихина)

Цитохромы.Цитохромы относятся к классу хромопротеинов. В их состав входит железосодержащий гем, по своему строению аналогичный гему гемоглобина. Различные цитохромы отличаются строением боковых цепей в структуре гема, структурой белковых компонентов, способом соединения гема с белковым компонентом. Функция цитохромов связана с переносом электронов от убихинона к кислороду. Они локализованы в дыхательной цепи в определенной последовательности:

Цит.b →цит.с₁ → цит.с → цит.аа₃

Цитохромы b, с₁ и с выполняют функцию промежуточных переносчиков электронов, а комплекс цитохромов а и а₃, называемый цитохромоксидазой, является терминальным дыхательным ферментом, непосредственно взаимодействующим с кислородом. Этот комплекс состоит из шести субъединиц, каждая из которых содержит геминовую группу и атом меди. Две субъединицы из шести составляют цитохром а, а остальные четыре образуют цитохром а_3.

Перенос цитохромами электронов непосредственно связан с присутствием в их составе ионов железа. Окисленная форма цитохромов содержит Fе³⁺. Принимая электроны от убихинона или другого цитохрома, Fe³⁺ переходит в восстановленное состояние (Fе²⁺), а передавая электроны другому цитохрому или кислороду, Fe²⁺ вновь переходит в окисленное состояние (F³⁺).

Кислород, принимая электроны от цитохромоксидазы, переходит в активное (ионизированное) состояние, затем принимает два протона из окружающей среды. В результате образуется молекула воды.

Схематично систему переноса электронов и протонов по дыхательной цепи можно представить следующим образом (рис. 9):

Рис. 9. Последовательность расположения переносчиков электронов и протонов в дыхательной цепи