ДЫХАТЕЛЬНЫЕ ФЕРМЕНТЫ

ДЫХАТЕЛЬНЫЕ ФЕРМЕНТЫ — ферменты, участвующие в переносе электронов от органических субстратов к кислороду; являются важнейшим звеном процесса преобразования энергии в биологических системах; величина активности некоторых из этих ферментов в сыворотке крови служит дополнительным диагностическим тестом при ряде заболеваний. Д. ф. являются одними из главных дыхательных пигментов (см.).

В зависимости от хим. природы кофакторов Д. ф. или их простетических групп Д. ф. подразделяются на три основных класса: 1) пиридинзависимые Цитохромы (см.), простетическими группами которых являются железопорфирины.

Эти Д. ф. составляют сложную многокомпонентную мембранную систему, называемую дыхательной цепью.

К числу пиридин-зависимых дегидрогеназ относится св. 150 ферментов, которые катализируют восстановление НАД и НАДФ различными органическими субстратами (см. Дегидрогеназы).

НАД-зависимые дегидрогеназы участвуют преимущественно в процессах дыхания, связанных с переносом электронов от органических субстратов к кислороду и аккумуляцией энергии, а НАДФ-зависимые дегидрогеназы играют существенную роль в восстановительных реакциях биосинтеза. В соответствии с этим НАД и НАДФ различаются по своей внутриклеточной локализации: НАД концентрируется гл. обр. в митохондриях, а большая часть НАДФ находится вне митохондрий. Пиридин-зависимые дегидрогеназы, как правило, слабо связаны с мембранами и легко солюбилизируются (см. Солюбилизация).

Флавиновые дегидрогеназы (их насчитывается ок. 30) осуществляют перенос электронов от восстановленных НАД, НАДФ и некоторых других органических субстратов на цитохромную систему. Этот перенос обычно осуществляется промежуточными переносчиками, способными служить акцепторами для флавопротеидов, напр, убихиноном. Восстановленные флавопротеиды (см.) легко окисляются также рядом искусственных электронных акцепторов (феррицианид, феназинметосульфат и др.). Некоторые флавиновые ферменты (альдегидоксидаза, ксантиноксидаза) могут непосредственно восстанавливать молекулярный кислород с образованием H₂O₂. Благодаря ФМН и ФАД, имеющим в окисленном состоянии полосу поглощения при 450 нм, флавопротеиды окрашены в желтый цвет, поэтому они были названы О. Варбургом, желтыми ферментами.

Активной частью флавиннуклеотидов является изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина, к атомам азота к-рого могут присоединиться два атома водорода при соответствующей перегруппировке двойных связей. При восстановлении флавиннуклеотидов в их спектре исчезает полоса поглощения при 450 нм. Флавопротеиды обычно акцептируют пару электронов от окисляемого субстрата не одновременно, а в две стадии с образованием промежуточных полувосстановленных свободнорадикальных форм (флавосемихиноны), которые могут быть обнаружены методом ЭПР — электронного парамагнитного резонанса (см.). При взаимодействии с двухэлектронными акцепторами (хинонами) флавиновые Д. ф. могут восстанавливать их по одноэлектронному (НАД•H-дегидрогеназа; КФ 1.6.99.3) либо двухэлектронному (митохондриальная НАДФ•H-дегидрогеназа; КФ 1.6.99.2) механизму Ямадзаки (J. Yamazaki). Ксантиноксидаза (КФ 1.2.3.2) может катализировать как одно-, так и двухэлектронное восстановление.

Многие из флавиновых Д. ф. являются сложными олигомерными образованиями, которые состоят из нескольких белковых субъединиц и содержат, помимо флавиннуклеотидов, также атомы металлов (негеминовое железо, молибден), участвующих наряду с ФМН и ФАД в переносе электронов через флавопротеиды. Некоторые флавиновые Д. ф., напр. НАД•H- и сукцинатдегидрогеназы митохондрий, НАДФ•H-дегидрогеназа микросом, прочно связаны с мембранами. В области НАД•H-дегидрогеназнго участка дыхательной цепи митохондрий локализован один из пунктов сопряжения между дыханием и фосфорилированием (см.).

Перенос электронов от флавопротеидов к молекулярному кислороду осуществляется с помощью системы цитохромов — гемсодержащих белков с характерными спектрами поглощения в окисленном и восстановленном состояниях. Цитохромоксидаза (КФ 1.9.3.1; цитохром а+a3) в митохондриях и цитохром Р-450 в эндоплазматических мембранах (микросомах) являются терминальными Д. ф., непосредственно взаимодействующими с кислородом. Цитохромы b, c1 и с в митохондриях и цитохром b5 в микросомах выполняют функцию промежуточных переносчиков. Цитохром с легко солюбилизируется, в то время как остальные из перечисленных цитохромов прочно связаны с мембранами.

Гемовые группы всех цитохромов, образующих дыхательную цепь, не могут непосредственно контактировать друг с другом, и вопрос о том, как происходит перенос электронов между молекулами цитохромов, полностью не выяснен. Один из возможных механизмов такого переноса состоит в передаче электронов по белковой части молекулы цитохромов за счет перекрывающихся пи-электронных облаков ароматических аминокислотных остатков. Кроме того, перенос электронов между гемовыми группами, находящимися на нек-ром расстоянии друг от друга, может осуществляться по типу туннельных переходов.

Важным свойством цитохромов как Д. ф. является способность некоторых аминокислотных остатков (чаще всего гистидина и тирозина) белковой части их молекулы менять значения своего рК (константы ассоциации с протонами) при изменении электронного состояния гема. Благодаря этому окисление и восстановление гема могут приводить к выделению или поглощению апоферментом протонов на участках, которые пространственно могут быть удалены от гема. Т. о., Цитохромы способны выступать в роли переносчиков протонов в мембране и участвовать в создании трансмембранного протонного градиента (см. Мембранное равновесие, Мембраны биологические). Это наиболее убедительно показано для цитохрома b Слейтером (Е. С. Slater) и Клингенбергом (М. Klingenberg). В соответствии с хемоосмотической теорией (В. П. Скулачев) образование при переносе электронов по дыхательной цепи протонного градиента является необходимым условием сопряжения дыхания с фосфорилированием. На цитохромном отрезке дыхательной цепи имеются два пункта сопряжения: в комплексе b—c1 и на цитохромоксидазном участке.

Цитохромоксидаза — терминальный Д. ф. митохондрий — имеет сложное строение. Она состоит из 6 субъединиц с мол. весом (массой) от 5300 до 36 000. Две субъединицы составляют, по-видимому, цитохром a, a остальные четыре относятся к цитохрому a3. В переносе электронов к кислороду участвуют, помимо гемовых групп, также содержащиеся в цитохромоксидазе атомы меди, изменение валентности которых при взаимодействии с кислородом может быть обнаружено методом ЭПР.

Цитохромоксидаза связывается с окисью углерода и цианидом, которые являются, т. о., ингибиторами дыхания. На первой стадии взаимодействия цитохромоксидазы с кислородом образуется комплекс цитохромоксидаза — O2, так наз. оксигенированная форма цитохромоксидазы. Далее происходит восстановление кислорода системой из двух комплексов, находящихся в кооперативном взаимодействии, каждый из которых содержит гемовую группу и медь и способен осуществлять двухэлектронный перенос.

Цитохром Р-450, терминальный Д. ф. микросомальной гидроксилирующей системы, получил свое название благодаря образуемому им довольно прочному комплексу с CO, имеющему необычный для гемопротеидов максимум при 450 нм. Одной из наиболее интересных особенностей цитохрома P-450 является изменение его оптических свойств при образовании комплекса с различными неполярными субстратами, подвергающимися гидроксилированию в микросомах. Большинство субстратов вызывает увеличение поглощения при 385—395 нм и снижение оптической плотности при 420 нм (так наз. первый тип спектральных изменений). Методом ЭПР показано, что при образовании комплекса первого типа атом железа гемовой группы цитохрома P-450 переходит из низкоспинового в высокоспиновое состояние.

Связанная с субстратом восстановленная форма цитохрома Р-450 присоединяет кислород с образованием тройного комплекса: субстрат — восстановленный цитохром Р-450 — O₂. Молекула O₂ в этом комплексе частично восстанавливается, превращаясь в активированную форму, способную гидроксилировать субстрат. Механизм активации состоит, по-видимому, в том, что молекула O₂, приняв два электрона, подвергается гетеролитическому расщеплению т. о., что один атом кислорода с 8 электронами отделяется в виде иона гидроксила, а другой, с 6 электронами, имея структуру атомарного кислорода, внедряется в гидроксилируемый субстрат.

В клин, практике активность некоторых Д. ф. (дегидрогеназ и др.) служит дополнительным диагностическим тестом при ряде заболеваний (см. Городецкого методы).

Библиография: Арчаков А. И. Микросомальное окисление, М., 1975, библиогр.; Ленинджер А. Митохондрия, пер. с англ., М., 1966; Pубин Б. А. и Логинова Л. Н. Альтернативные пути биологического окисления, М., 1973; Ясайтис А. А. Превращение энергии в митохондриях, М., 1973; Biological oxidations, ed. by T. P. Singer, N. Y., 1968.

Л. М. Райхман.