Окислительно-восстановительные превращения кофакторов и коферментов оксидоредуктаз

Кофакторы и коферменты, реагируя под влиянием оксидоре­дуктаз с субстратом, в зависимости от его природы могут быть окислителями или восстановителями. Такая двойственность связана с возможностью их существования в двух сопряженных формах: окисленной и восстановленной.

Оксидоредуктазами, содержащими кофакторы, являются раз­личные цитохромы, железосеропротеины [Fe_xS_xProt] и ряд других ферментов. Эти соединения являются комплексами, в кото­рых белок фермента ковалентно связан с комплексообразователем - катионом переходного металла, выполняющего роль кофактора. Кофактором чаще всего бывает железо, медь, а ино­гда марганец и молибден. Все они образуют с белком не менее двух ковалентных связей. Поскольку для всех перечисленных металлов характерна переменная валентность, то их окисли­тельно-восстановительные превращения связаны с присоедине­нием или отдачей электронов. Вследствие этого обратимо изме­няется заряд катиона металла-комплексообразователя. В ре­зультате происходит переход оксидоредуктазы из окисленной формы в восстановленную и наоборот:

Вследствие окислительно-восстановительной двойственности оксидоредуктазы с кофакторами способны служить переносчи­ками электронов и поэтому являются компонентами электронотранспортных цепей (разд. 9.3.5).

В качестве коферментов оксидоредуктаз выступают слож­ные органические соединения, способные к обратимым окисли­тельно-восстановительным превращениям за счет дисмутации их атомов углерода. Окисленная форма кофермента Коф, вы­ступая акцептором и электронов и протонов, переходит в со­пряженную восстановленную форму Коф(хН)

Коферменты связаны с белком оксидоредуктазы достаточно прочно: обычно за счет межмолекулярных связей, но иногда и ковалентно. Рассмотрим особенности строения и окислительно-восстановительных свойств некоторых коферментов.

Убихиноны, или кофермент Q (KoQ). Убихиноны - это груп­па жирорастворимых витаминов Q, являющихся производными бензохинона, содержащими гидрофобный заместитель R, который способствует их соединению с белком с образованием убихинон-протеинов. Убихинонпротеины, являясь окислителями, присоеди­няют от субстрата два электрона к атомам углерода хиноидной группировки, изменяя их степень окисления. Одновременно к атомам кислорода этого кофермента присоединяются два прото­на (обычно из водной среды). В результате образуется восстанов­ленная форма - убихинолпротеины KoQ(2H):

Флавопротеины (ФП) - соединения, содержащие изоалло-ксазиновый фрагмент. К ним прежде всего относятся соедине­ния флавинаденинмононуклеотида (ФМН) или флавинаденин-динуклеотида (ФАД) с белком, которые являются производными рибофлавина (витамин В₂). Эти коферменты, восстанавливаясь, присоединяют от субстрата два электрона к атомам углерода изоаллоксазинового фрагмента, изменяя их степень окисле­ния. Одновременно два протона (Н⁺), получаемые обычно из водной среды, присоединяются к атомам азота, в результате образуется восстановленная форма ФП(2Н) - ФМН(2Н) или ФАД(2Н).

Пиридинпротеины - соединения, содержащие никотинамид-адениндинуклеотид (НАД⁺) или никотинамидадениндинуклео-тидфосфат (НАДФ⁺), в обозначении окисленных форм которых содержится знак "+", так как они содержат пиридиниевый ка­тион. Оба эти соединения, восстанавливаясь, присоединяют от субстрата-восстановителя два электрона и один протон к атомам углерода пиридинового цикла, переходя в восстановленную форму НАД(Н) или НАДФ(Н) соответственно. Эти коферменты являются производными витамина PP.

Таким образом, окислительно-восстановительные превраще­ния коферментов оксидоредуктаз протекают за счет атомов угле­рода и в них принимают участие протоны. Причем окисленная форма любого кофермента выступает акцептором и электронов и протонов, а восстановленная форма - их донором. Подобно оксидоредуктазам с кофакторами, оксидоредуктазы с коферментами могут быть переносчиками электронов, поэтому они также яв­ляются компонентами электронотранспортных цепей клетки (разд. 9.3.4).

Окислительно-восстановительные свойства коферментов в организме сильно зависят от того, концентрация какой из форм преобладает. Если преобладает окисленная форма, то кофермент выступает окислителем и способствует окислению субстрата. В случае преобладания восстановленной формы кофермент-вос-становитель способствует восстановлению субстрата. Так, в клет­ках печени отношение концентраций [НАД⁺]/[НАД(Н)] > 510, а [НАДФ⁺]/ [НАДФ(Н)] = 0,01. Поэтому сопряженная система ко­фермента НАД⁺ выступает окислителем, способствуя окислению субстратов, а сопряженная система кофермента НАДФ⁺, в кото­рой преобладает форма НАДФ(Н), ведет себя как восстановитель, способствуя восстановлению субстратов. Таким образом, за счет изменения соотношения концентраций окисленной и восстанов­ленной форм коферментов оксидоредуктаз происходит поддержа­ние окислительно-восстановительного гомеостаза и регуляция метаболизма в организме.

Многие окислительно-восстановительные реакции в организ­ме протекают под действием других коферментов, например глютатиона, липоевой кислоты, пиридоксальфосфата, действие кото­рых рассматривается в разд. 12.2.6, 17.6 и 18.2.4 соответственно.

В биохимической и медицинской литературе часто встречается мне­ние, что коферменты убихиноны и флавопротеины при восстановлении присоединяют два атома водорода или молекулу водорода, а пиридинпротеины - гидрид-ион, т. е. Н", и что коферменты являются переносчиками указанных частиц. Иногда совокупность электрона и протона {е- + Н⁺} = = {Н} называют восстановительным эквивалентом. Все эти выражения крайне неудачны, так как противоречат химической сущности протекающих процессов и химически абсурдны, атомарный водород чрезвычайно реакционноспособен, а молекулы водорода, наоборот, химически инертны и чрезвычайно летучи в условиях организма. Гидрид-ион не мо­жет образовываться и существовать в воде, которой в организме свыше 60 %. Следует говорить о присоединении или переносе оксидоредуктазами электронов и протонов раздельно, и нельзя объединять эти частицы, так как маршруты их движения в живых системах абсолютно различны. Осо­бенно четко это проявляется в электронотранспортных цепях клетки.