Какие витамины входят в состав оксидоредуктаз

ФМНи ФАД ковалентно связаны с ферментами. Активной группой обоих коферментов является флавин (изоаллоксазин), имеющий сопряженную систему из трех колец, которая может при восстановлении принимать два электрона и два протона.

В ФМН к флавину присоединен фосфорилированный спирт — рибит. ФАД состоит из ФМН, связанного с аденозинмонофосфатом (АМФ). Оба соединения являются функционально близкими коферментами.

Влипоамиде функцию окислительно-восстановительного центра выполняет внутримолекулярный дисульфидный мостик. Липоевая кислота ковалентно связана с остатком лизина молекулы фермента.

Остаток липоевой кислоты прежде всего участвует в окислительном декарбоксилировании 2-кетокислот.

Группагемаявляется окислительно-восстановительным коферментом в дыхательной цепи, фотосинтезе, а также в монооксигеназах и пероксидазах.

В отличие от гемоглобина в этих случаях ион железа меняет валентность.

Гем в цитохроме С, ковалентно связан с двумя остатками цистеина молекулы фермента.

Коферменты НАД+иНАДФ+ широко распространены как коферменты дегидрогеназ. Они переносят гидрид-ион(Н‾) и действуют всегдав растворимой форме.

НАД+ передает восстановительный эквивалент из катаболического пути в дыхательную цепь и тем самым участвует в энергетическом обмене. НАДФ+, напротив, является самым важным восстановителемпри биосинтезе.

Убихинонявляется переносчиком восстановительных эквивалентовв дыхательной цепи. При восстановлении хинон превращается в ароматический гидрохинон(убихинол).

Аналогичные системы хинон/гидрохинон принимают участие в реакциях фотосинтеза. К этому классу окислительно-восстановительных систем принадлежат также витамины Е и К.

Из сопоставления таблиц 1 и 2, видно, что такие витамины как рибофлавин, липоевая кислота, липоамид, никотиновая кислота и никотинамид являются предшественниками коферментов оксидоредуктаз.

Гем в чистом виде не применяется в медицинской практике из-за сложности его выделения и синтеза. В качестве препарата, содержащего гем, в медицине применяется препарат крови — «гематоген».

Хотя методы синтеза убихинонов разработаны, до настоящего времени окончательно не установлены пути их биосинтеза. Коферменты Q6–Q9 обнаружены в различных микроорганизмах, а кофермент Q10 в человеческом организме. Интересно отметить, что кофермент Q10 в последнее время нашел применение в косметологии.

Аскорбиновую кислоту также целесообразно отнести к растворимому коферменту, поскольку она принимает участие в реакциях окисления некоторых субстратов кислородом, главным образом в реакциях гидроксилирования. Из биохимических процессов с участием аскорбиновой кислоты следует отметить окисление тирозина, синтезы катехоламинов и желчных кислот. Она является коферментом фермента проколлагенпролин-4-диоксигеназы, катализирующего окисление остатков пролина, входящих в структуру проколлагена, до 4-гидроксипролина в процессе созревания коллагена (Аминокислоты и полипептиды: учеб. пособ. Ч. I./ В.А. Смирнов, Ю.Н. Климочкин. – Самара. Самар. гос. техн. ун-т., 2007, стр.10).

В таблице 3 приведены структурные формулы, названия и буквенные обозначения коферментов, участвующих в реакциях переноса функциональных групп, а также соответствующие ферменты и переносимые ими группы.



Ферменты этого класса катализируют окислительно-восстановительные реакции, лежащие в основе биологического окисления. Класс насчитывает 22 подкласса. Коферментами этого класса являются НАД, НАДФ, ФАД, ФМН, убихинон, глутатион, липоевая кислота.

Примером подклассов могут служить ферменты, действующие на СН-ОН-группу доноров, на СH-СН-группу доноров, на СН-NН2-группу доноров, на гемсодержащие доноры.

На подподклассы деление производится в зависимости от акцептора – НАД+ или НАДФ+ (1.1.1., 1.2.1., 1.3.1., 1.4.1.), дисульфиды (1.2.4.), кислород (1.3.3.). Например, каталаза (КФ 1.11.1.6), пероксидаза (КФ 1.11.1.7).

Наиболее распространены следующие рабочие названия оксидоредуктаз:

1. Дегидрогеназы – оксидоредуктазы, катализирующие дегидрирование субстрата с использованием в качестве акцептора водорода любых молекул, кроме кислорода.

2. Если перенос водорода от молекулы донора трудно доказуем, то такие оксидоредуктазы называют редуктазами.

3. Оксидазы – оксидоредуктазы, катализирующие окисление субстратов с молекулярным кислородом в качестве акцептора электронов без включения кислорода в молекулу субстрата.

4. Монооксигеназы – оксидоредуктазы, катализирующие внедрение одного атома кислорода в молекулу субстрата с молекулярным кислородом в качестве донора кислорода.

5. Диоксигеназы – оксидоредуктазы, катализирующие внедрение 2 атомов кислорода в молекулу субстрата с молекулярным кислородом в качестве донора кислорода.

6. Пероксидазы – оксидоредуктазы, катализирующие реакции с пероксидом водорода в качестве акцептора электронов.

Систематическое название образуется:

Донор электронов : акцептор электронов – оксидоредуктаза.

Пример 1

Характеристика фермента

Пример 2

Характеристика фермента

Пример 3

Характеристика фермента

КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ФЕРМЕНТОВ

Современная классификация ферментов разработана Международным биохимическим союзом (1961г.). В ее основу положен тип катализируемой реакции и механизм. Все ферменты делят на шесть классов: I. Оксидоредуктазы. II. Трансферазы. III. Гидролазы. IV. Лиазы. V. Изомеразы. VI. Лигазы.

Каждый фермент имеет кодовый номер по классификации ферментов: первая цифра характеризует класс реакции, вторая − подкласс, третья − подподкласс, четвертая цифра указывает порядковый номер фермента в его подподклассе. Название фермента состоит из двух частей: в первой части − название субстрата (или субстратов), во второй − тип катализируемой реакции.

Оксидоредуктазы

Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции и подразделяются на 5 основных подклассов:

— оксидазы;

— аэробные дегидрогеназы;

— анаэробные дегидрогеназы;

— гидропероксидазы;

— оксигеназы.

Оксидазы. Катализируют удаление водорода из субстрата, используя при этом в качестве акцептора водорода только кислород. Оксидазы содержат медь, продуктом реакции является вода (исключение составляют реакции, катализируемые уриказой и моноаминоксидазой, в результате которых образуется Н2О2).

Общая схема процесса следующая:

В качестве субстратов оксидаз могут выступать фенолы, полифенолы, амины. Примерами ферментов класса оксидаз являются фенолаза, цитохром-оксидаза, моноаминоксидаза, уриказа.

Фенолаза (катехолоксидаза, тирозиназа) − медьсодержащий фермент с широкой специфичностью. Он катализирует превращение монофенола
(в присутствии о-дифенола) в орто-хинон. Медь содержится также в уриказе, катализирующей окисление мочевой кислоты в аллантоин, и в моноаминоксидазе, окисляющей адреналин и тирамин в митохондриях.

Цитохромоксидаза − гемопротеин, который служит конечным компонентом дыхательной цепи и осуществляет перенос электронов на конечный акцептор − кислород. Данный фермент ингибируется оксидом углерода (II), цианидами и сероводородом. Фермент содержит две молекулы гема, в каждой из которых атом железа может переходить из состояния Fe2+ в состояние Fe3+ и обратно в ходе окисления и восстановления, а также два атома Сu, каждый из которых взаимодействует с одним из гемов.

Аэробные дегидрогеназы. Катализируют удаление водорода из суб-страта, используя в качестве акцептора водорода не только кислород, но и искусственные акцепторы (например, метиленовый синий). Эти дегидрогеназы относятся к флавопротеинам.

В результате реакции образуется пероксид водорода, а не вода:

В качестве кофермента дегидрогеназы содержат ФАД (флавинаденин-динуклеотид) или ФМН (флавинмононуклеотид). Многие флавопротеиновые ферменты содержат несколько ионов металлов.

К ферментам группы аэробных дегидрогеназ относятся: дегидрогеназа L-аминокислот (оксидаза L-аминокислот), катализирующая окислительное дезаминирование природных L-аминокислот, и ксантиндегидрогеназа (ксантиноксидаза), катализирующая окисление ксантина в мочевую кислоту. Молибденсодержащий фермент ксантиноксидаза играет важную роль в катаболизме пуриновых оснований.

Анаэробные дегидрогеназы. Катализируют удаление водорода из субстрата, но не способны использовать кислород в качестве акцептора.

Общая схема процесса следующая:

Анаэробные дегидрогеназы подразделяются в зависимости от природы кофермента на несколько групп.

НАД+-зависимые (пиридинзависимые, первичные) дегидрогеназы, содержащие в качестве кофермента НАД+ или НАДФ+. В общем случае НАД+-зависимые дегидрогеназы катализируют окислительно-восстановительные реакции специфических (например, гликолиза) и общих путей катаболизма (например, цикла Кребса, дыхательной цепи).

Общая схема процесса следующая:

Примером НАД+-зависимых дегидрогеназ могут служить лактатдегидрогеназа, алкогольдегидрогеназа, глутаматдегидрогеназа и др. Например, 1.1.1.27 L-лактат: НАД+-оксидоредуктаза (лактатдегидрогеназа) катализирует взаимопревращение лактата и пирувата:

Пируват L — Лактат

ФАД- и ФМН- зависимые анаэробные дегидрогеназы (флавин-зависимые дегидрогеназы). Первичные флавинзависимые дегидрогеназы переносят восстановительные эквиваленты от субстрата непосредственно на дыхательную цепь. К ним относятся, например, 1.3.99.1 сукцинатдегидрогеназа (СДГ), ацил-КоА-дегидрогеназа и митохондриальная глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа:

Вторичная ФМН-зависимая НАДН-дегидрогеназа − компонент дыхательной цепи, переносящий электроны от НАДН к более электроположительным компонентам:

Еще одна функция флавинзависимых дегидрогеназ − катализируемое дигидролипоилдегидрогеназой дегидрирование восстановленного липоата
(промежуточного продукта при окислительном декарбоксилировании пирувата и a-кетоглутарата). При этом вследствие низкого значения окислительно-восстановительного потенциала системы липоата переносчиком водорода от восстановленного липоата к НАД+ является флавопротеин (ФАД).

Цитохромы за исключением цитохромоксидазы классифицируются как анаэробные дегидрогеназы. В дыхательной цепи они служат переносчиками электронов от флавопротеинов к цитохромоксидазе. Цитохромы являются гемопротеинами, у которых атом железа переходит из состояния Fe2+ в Fe3+ и обратно в процессе окисления и восстановления. Помимо дыхательной цепи цитохромы имеются в эндоплазматическом ретикулуме (цитохромы Р-450 и b-5).

Гидропероксидазы. К их числу относятся ферменты пероксидаза и каталаза.

Пероксидаза − фермент, катализирующий окисление пероксидом водорода различных органических соединений − фенолов, аминов, аскорбиновой кислоты, цитохрома С. Пероксидаза обнаружена в растениях, молоке, лейкоцитах, тромбоцитах, а также в тканях, в которых происходит метаболизм эйкозаноидов. Фермент содержит протогем, который в отличие от гемовых групп большинства гемопротеинов слабо связан с апоферментом.

Реакция, катализируемая пероксидазой, имеет сложный характер; суммарная реакция выглядит следующим образом:

В эритроцитах глутатионпероксидаза, содержащая в качестве простетической группы селен, катализирует разложение Н2О2 и гидропероксидов липидов восстановленным глутатионом и, таким образом, защищает липиды мембран и гемоглобин от окисления пероксидами.

Каталаза − это гемопротеин, содержащий 4 гемовые группы. Наряду с пероксидазной активностью каталаза способна использовать одну молекулу Н2О2 в качестве донора электронов, а другую − в качестве акцептора электронов. В организме каталаза в основном разлагает пероксид водорода, образующийся при действии аэробных дегидрогеназ:

Каталаза содержится в крови, костном мозге, мембранах слизистых оболочек, почках и печени.

Во многих тканях, включая и печень, обнаружены микротельца − пероксисомы, которые богаты аэробными дегидрогеназами и каталазой. Биологически выгодно группировать в одном месте как ферменты, приводящие к образованию Н2О2, так и ферменты, разлагающие это соединение.

К ферментам, катализирующим образование Н2О2, кроме пероксисомных ферментов, относятся также митохондриальные и микросомные системы транспорта электронов.

Оксигеназы.

Ферменты этой группы катализируют включение кисло-рода в молекулу субстрата, которое происходит в две стадии:

1) кислород связывается с активным центром фермента;

2) происходит реакция, в результате которой, связанный кислород восстанавливается или переносится на субстрат.

Оксигеназы не относятся к ферментам, которые катализируют реакции, снабжающие клетку энергией; они участвуют в синтезе и деградации многих типов метаболитов, токсинов и ксенобиотиков. Оксигеназы подразделяются на 2 подгруппы.

Монооксигеназы (гидроксилазы). Эти ферменты катализируют включение в субстрат только одного из атомов молекулы кислорода. Другой атом кислорода восстанавливается до воды; для чего необходим дополнительный донор электронов (косубстрат):

субстрат косубстрат

Природа косубстрата может быть различной. Многие оксигеназы используют НАДФН2. В этом случае суммарное уравнение реакции можно записать как

К подобным системам относятся микросомные цитохром-Р-450-содержащие монооксигеназные системы, участвующие в метаболизме многих лекарственных веществ путем их гидроксилирования. Они находятся в микросомах печени вместе с цитохромом Р-450 и цитохромом b-5. Восстановителями этих цитохромов являются НАДН и НАДФН. Цитохромы окисляются субстратами в результате серии ферментативных реакций, составляющих так называемый гидроксилазный цикл:

Лек — лекарственное вещество

К лекарственным веществам, метаболизм которых идет при участии рассматриваемых систем, относятся, например, морфин и бензпирен. Многие лекарственные вещества (например, фенобарбитал) способны индуцировать синтез микросомных ферментов и цитохрома Р-450. Цитохром Р-450 является одновременно гемо- и флавопротеином, причем флавиновые нуклеотиды выступают в качестве второго донора электронов. Цитохром Р-450 в печени осуществляет гидроксилирование липофильных соединений, образующихся в качестве побочных продуктов или попадающих в организм извне (такие вещества объединяют под общим названием «ксенобиотики»). Введение в их молекулы гидроксильных групп повышает гидрофильность этих веществ, понижает токсичность и облегчает их вывод из организма.

Другой пример подобных систем − митохондриальные цитохром-Р-450-содержащие монооксигеназные системы. Они находятся в коре надпочечников, семенниках, яичниках, плаценте, почках и участвуют в биосинтезе стероидных гормонов из холестерина, катализируют гидроксилирование гидроксихолекальциферола, что приводит к образованию активной формы витамина D3 (1,25-дигидроксихолекальциферола). В коре надпочечников содержание митохондриального цитохрома Р-450 в 6 раз выше, чем содержание цитохромов в дыхательной цепи.

Диоксигеназы (истинные оксигеназы). Эти ферменты катализируют включение в молекулу субстрата обоих атомов молекулы кислорода:

Примером служат железосодержащие ферменты 1.13.11.5 гомогентизатдиоксигеназа и 1.13.11.6 3-гидроксиантранилатдиоксигеназа, а также некоторые гемсодержащие ферменты, в частности триптофандиоксигеназа (триптофанпирролаза).