Аеробні дегідрогенази – флавопротеїни; містять простетичні групи – флавінмононуклеотид (ФМН) або флавінаденіндинуклеотид (ФАД)

До ферментів групи аеробних дегідрогеназ відноситься дегідрогеназа L-амінокислот (оксидаза L-амінокислот) ФМН-вмісний фермент, який знаходиться в нирках і володіє широкою специфічністю, каталізує окисне дезамінування природних L-амінокислот. Широко поширена ксантиндегідрогеназа (ксантиноксидаза); вона виявлена в молоці, у тонкому кишечнику, нирках і печінці.

Ксантиндегідрогеназа містить молібден; відіграє важливу роль у перетворенні пуринових основ у сечову кислоту в печінці і нирках. Особливе значення має для птахів, які екскретують сечову кислоту як головний кінцевий азотовмісний продукт метаболізму пуринів, а також катаболізму білків і амінокислот.

Альдегіддегідрогеназа – ФАД-вмісний фермент, що знаходиться в печінці. Це – металофлавопротеїн – містить молібден і негемове залізо, окислює альдегіди і N-гетероциклічні субстрати.

Глюкозооксидаза – ФАД-специфічний фермент, який одержують із грибів. Вона важлива тим, що використовується при визначенні глюкози.

Механізм окислення і відновлення, що здійснюється цими ферментами, дуже складний. Судячи з наявних даних, відбувається двостадійне відновлення ізоаллоксазонового кільця з проміжним утворенням семіхінона (вільного радикала):

3) Анаеробні дегідрогенази – ферменти, які каталізують видалення водню із субстрату, але не здатні використовувати кисень як акцептор водню. До цього класу належить велике число ферментів. Вони виконують дві функції:

а) перенесення водню з одного субстрату на інший в спряженій окисно-відновній реакції:

Ці дегідрогенази специфічні до субстратів, але часто використовують один і той же кофермент або переносник водню. Оскільки реакції, які розглядаються оборотні, то вони забезпечують у клітині вільне перенесення відновних еквівалентів. Реакції цього типу призводять до окислення одного субстрату за рахунок відновлення іншого, особливо важливі для здійснення окисних процесів за відсутності кисню.

б) функцію компонентів дихального ланцюга забезпечуючи транспорт електронів від субстрату на кисень:

Поділяються на:

Дегідрогенази, залежні від нікотинамідних коферментів. До цієї категорії належить багато дегідрогеназ. Вони специфічні або до нікотинамідаденіндинуклеотиду (НАД⁺), або до нікотинамідаденіндинуклеотидфосфату (НАДФ⁺), які виконують роль коферментів (рис. 1). НАД⁺ і НАДФ⁺ утворюються в організмі людини з вітаміну В₅. Для синтезу НАД⁺ чи НАДФ⁺ ферменти, які знаходяться в цитозолі більшості клітин, використовують тільки нікотинову кислоту, але не нікотинамід. Нікотинамідний фрагмент НАД⁺ утворюється з нікотинатного фрагмента, коли останній знаходиться в складі нуклеотиду; амідна група надходить від глутаміну (рис. 1).

Рис 1. Синтез і розклад нікотинамідаденіндинуклеотиду (НАД).

Є дані про те, що в мітохондріях для синтезу НАД⁺ використовується нікотинамід. Коферменти відновлюються специфічними субстратами дегідрогеназ і окислюються адекватним акцептором електронів (рис. 2).

НАД⁺ + AH₂ D НАДH + H⁺ + A

Рис 2. Механізм окислення і відновлення нікотинамідних коферментів.

У загальному випадку НАД-залежні дегідрогенази каталізують окисно-відновні реакції окисних шляхів метаболізму – гліколізу, циклу лимонної кислоти, дихального ланцюга мітохондрій. НАДФ-залежні дегідрогенази беруть участь у процесах відновного синтезу, зокрема у позамітохондріальному синтезі жирних кислот і стероїдів; вони також є коферментами дегідрогеназ пентозофосфатного шляху. Деякі дегідрогенази, які функціонують з нікотинамідними коферментами, містять іон цинку, зокрема алкогольдегідрогеназа печінки і гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа скелетних м'язів. Припускають, що іони цинку не беруть участь безпосередньо в процесах окислення і відновлення.

Рибофлавінзалежні дегідрогенази. Флавінові групи цих дегідрогеназ ті ж, що й в аеробних дегідрогеназ, ФМН і ФАД. Більшість рибофлавін-залежних анаеробних дегідрогеназ або бере участь у транспорті електронів по дихальному ланцюзі, або поставляє електрони для цього ланцюга. НАДФ-дегідрогеназа – компонент дихального ланцюга, яка переносить електрони від НАДН до більш електропозитивних компонентів. Інші дегідрогенази, наприклад сукцинатдегідрогеназа, ацил-СоА-дегідрогеназа і мітохондріальна гліцерол-3-фосфат-дегідрогеназа переносять відновні еквіваленти від субстрату безпосередньо на дихальний ланцюг. Ще одна функція флавін-залежних дегідрогеназ – каталіз дигідроліпоїл-дегідрогеназою дегідрування відновленого ліпоату (інтермедіату при окисному декарбоксилуванні пірувату й a-кетоглутарату). У цьому випадку внаслідок низького значення окисно-відновного потенціалу системи ліпоату переносником водню від відновленого ліпоату до НАД⁺ є флавопротеїн (ФАД). Електрон-переносний флавопротеїн є проміжним переносником електронів між ацил-СоА-дегідрогеназою і дихальним ланцюгом.

в) Цитохроми. За винятком розглянутої вище цитохромоксидази, цитохроми класифікуються як анаеробні дегідрогенази. Їх ідентифікація і вивчення полегшуються тією обставиною, що у відновленому стані вони мають характерні смуги в спектрі поглинання, які зникають при окисленні. У дихальному ланцюзі вони служать переносниками електронів від флавопротеїнів до цитохромоксидази. Цитохроми є залізовмісними гемопротеїнами, у яких атом заліза переходить зі стану Fe²⁺ у Fe³⁺ і назад у процесі окислення і відновлення. До складу дихального ланцюга входять цитохроми b, с₁, с, а і а₃ (цитохромоксидаза). З них розчинним є тільки цитохром с. Крім дихального ланцюга цитохроми містяться в ендоплазматичному ретикулумі (цитохроми Р₄₅₀ і b₅), у рослинних клітинах, бактеріях і дріжджах.

Відновлення нікотинаміду субстратом (АН₂) по положенню 4 відбувається стереоспецифічно. Один з атомів водню переноситься від субстрату в положення 4 у виді ядра водню з двома електронами (гідрид-іон, Н^-): він може приєднатися або в А^-, або у В-положенні в залежності від специфічності дегідрогенази, яка каталізує дану реакції. Інший водень, який відщеплюється від субстрату, залишається вільним у виді іона водню.

4) Гідроксипероксидази – ферменти, які використовують як акцептор перекис водню або органічні перекиси. До цієї категорії відносяться два типи ферментів: пероксидази, які знаходяться в складі молока, в рослинах, лейкоцитах, тромбоцитах, еритроцитах і т.д., і каталаза, яка функціонує в тканинах тварин і рослин.

Пероксидаза. Спочатку пероксидази вважалися рослинними ферментами, пізніше вони були виявлені також у молоці, лейкоцитах, тромбоцитах, а також у тканинах, у яких відбувається метаболізм ейкозаноїдів. Простетичною групою є протогем, який на відміну від гемових груп більшості гемопротеїнів дуже слабко зв'язаний з апоферментом. У реакції, яку каталізує пероксидаза, перекис водню відновлюється за рахунок сполук, що виступають як донори електронів, таких, як аскорбат, хінони чи цитохром с. Реакція, яку каталізує пероксидаза, має складний характер; сумарна реакція виглядає в такий спосіб:

Н₂О₂ + АН₂ 2Н₂О + А

В еритроцитах глутатіонпероксидаза, яка містить як простетичну групу – селен, каталізує розклад Н₂О₂ і гідроперекисів ліпідів відновленим глутатіоном і в такий спосіб захищає ліпіди мембран і гемоглобін від окислення перекисами.

Каталаза. Гемопротеїн, який містить чотири гемові групи. Поряд з пероксидазною активністю каталаза здатна використовувати одну молекулу Н₂О₂ як донор електронів, а іншу – як окислювач, тобто акцептор електронів. In vivo у більшості випадків каталаза розкладає пероксид водню:

2Н₂О₂ 2Н₂О + О₂

Каталаза міститься у крові, кістковому мозку, мембранах слизових оболонок, нирках і печінці. Її функція – розкладання перекису водню, що утворюється при дії аеробних дегідрогеназ. У багатьох тканинах, включаючи і печінку, виявлені мікротільця, пероксисоми, які багаті аеробними дегідрогеназами і каталазою. Очевидно, біологічно вигідно групувати як ферменти, що призводять до утворення Н₂О₂, так і ферменти, що розкладають його в одному місці:

До ферментів, що забезпечують утворення Н₂О₂, крім пероксисомних ферментів відносяться також мітохондріальні і мікросомні системи транспорту електронів.

5) Оксигенази – ферменти, які каталізують пряме введення кисню в молекулу субстрату.

Оксигенази не належать до ферментів, що каталізують реакції, які збагачують клітину енергією; вони беруть участь у синтезі і розкладі багатьох типів метаболітів. Ферменти цієї групи каталізують включення кисню в молекулу субстрату.

Воно відбувається в дві стадії: 1) кисень зв'язується з активним центром ферменту; 2) відбувається реакція, у результаті якої зв'язаний кисень відновлюється чи переноситься на субстрат. Оксигенази діляться на дві підгрупи.

а) Діоксігенази (кисень-трансферази, істинні оксигенази). Ці ферменти каталізують включення в молекулу субстрату обох атомів молекули кисню:

А + О₂ ® АО₂.

Приклад – залізовмісні ферменти гомогентизатдіоксігеназа і 3-гідроксиантранілат-діоксігеназа із супернатантної фракції гомогенату печінки, а також гемвмісні ферменти, зокрема L-триптофандіоксігеназа (триптофанпіролаза) з печінки.

б) Монооксигенази (оксидази зі змішаною функцією, гідроксилази). Ці ферменти каталізують включення в субстрат тільки одного з атомів молекули кисню. Інший атом кисню відновлюється до води; для цього необхідний додатковий донор електронів (косубстрат):

А–Н + О₂ + ZH₂ ® А–ОН + Н₂О + Z

Мікросомні цитохром Р₄₅₀-вмісні монооксигеназні системи. До цієї групи належать ферменти, які беруть участь у метаболізмі багатьох лікарських речовин шляхом їх гідроксилювання. Вони знаходяться в мікросомах печінки разом з цитохромом Р₄₅₀ і цитохромом b₅. Відновниками цих цитохромів є НАДН і НАДФН (рис. 3); цитохроми окислюються субстратами в результаті серії ферментативних реакцій, які складають так званий гідроксилазний цикл (рис. 4):

Лік–Н + О₂ + 2Fe²⁺(P₄₅₀) + Н⁺ Лік–ОН + Н₂О + 2Fe³⁺

(Лік – лікарська речовина).

Рис 3. Ланцюг транспорту електронів в мікросомах.

Ціанід (CN^-) гальмує стадію, вказану на рисунку.

Рис 4. Цитохром Р₄₅₀-гідроксилазний цикл у мікросомах.

До лікарських речовин, метаболізм яких відбувається за участю розглянутих систем, відносяться: бенз[a]пірен, амінопірин, анілін, морфін і бензофетамін. Багато лікарських речовин, наприклад фенобарбітал, здатний індукувати синтез мікросомних ферментів і цитохрому Р₄₅₀.

Мітохондріальні цитохром Р₄₅₀-вмісні монооксигеназні системи. Ці системи знаходяться в стероїдогенних тканинах – у корі наднирників, у сім’яниках, яєчниках і плаценті; вони беруть участь у біосинтезі стероїдних гормонів з холестеролу (гідроксилювання по С₂₂ і С₂₀ при відщепленні бічного ланцюга і по положеннях 11b і 18). Ферменти ниркової системи каталізують гідроксилювання 25-гідроксихолекальциферолу по положеннях 1a і 24; у печінці відбувається гідроксилювання холестеролу по положенню 26 при біосинтезі жовчних кислот. У корі наднирників вміст мітохондріального цитохрома Р₄₅₀ у шість разів вище, ніж вміст цитохромів дихального ланцюга. Монооксигеназна система складається з трьох компонентів, локалізованих у внутрішній мітохондріальній мембрані на границі з матриксом: НАДФ-специфічного ФАД-вмісного флавопротеїну, Fе₂S₂-білка (адренодоксину) і цитохрома Р₄₅₀ (рис. 5).

Рис 5. Мітохондріальна цитохром Р₄₅₀-монооксигеназна система.

Наведена система типова для гідроксилаз стероїдів у корі наднирників. Мікросомна цитохром Р₄₅₀-гідроксилаза печінки не має потреби в присутності залізо-сірчаного білка Fe₂S₂. Оксид вуглецю (СО) гальмує зазначену на рисунку стадію.

Fe₂S₂ – залізо-сірчаний білок (адренодоксин). Оскільки НАДФ(H) не може проникати в мітохондріальну мембрану, джерелами відновних еквівалентів є такі субстрати, як малат і ізоцитрат, для яких усередині мітохондрій є специфічні НАДФ-залежні дегідрогенази.

Метаболізм супероксид-радикала. Кисень є потенційно токсичною речовиною. Донедавна його токсичність пов'язували з утворенням Н2О2. Однак останнім часом, приймаючи на увагу, по-перше, ту обставину, що кисень у тканинах легко відновлюється в супероксидний аніон-радикал (O2-.), і, по-друге, наявність в аеробних організмів супероксиддисмутази (СОД) (її немає в облігатних анаеробів), було висунуто припущення про те, що токсичність кисню обумовлена його перетворенням у супероксид. Однак прямих даних про токсичність супероксид-радикала поки не отримано.

Супероксид утворюється в ході одноелектронного окислення молекулярним киснем відновленого флавіну, наприклад флавіну в складі ксантиндегідрогенази. Він утворюється також при одноелектронному окисленні молекулярним киснем відновленого компонента дихального ланцюга:

Enz–H₂ + O₂ ® Enz–H + O₂^-. + H⁺.

Супероксид може відновлювати окислений цитохром с:

О₂^-. + Цит с (Fе³⁺) ® О₂ + Цит с (Fе²⁺).

Він відщеплюється також специфічним ферментом – супероксиддисмутазою:

О₂^-. + О₂^-. + 2Н⁺ Н₂О₂ + О₂

У цій реакції супероксид виступає одночасно як окислювач, так відновник. Хімічна дія супероксиду в тканинах підсилюється в результаті ініціювання ланцюгової реакції утворення вільних радикалів. Було висловлено припущення, що О₂^-., зв'язаний з цитохромом Р₄₅₀, є інтермедіатом при активації кисню в процесі реакцій гідроксилювання (рис 4).

Функцією супероксиддисмутази є, очевидно, захист аеробних організмів від ушкоджуючої дії супероксиду. Фермент виявляється в декількох внутрішньоклітинних кампартментах. Цитозольний фермент складається з двох подібних субодиниць, які містять по одному іонові Сu²⁺ і Zn²⁺; мітохондріальний фермент, так само як і фермент, виявлений у бактерій, містить іон Мn²⁺. Ця обставина служить ще одним доказом на користь гіпотези про походження мітохондрій із прокаріот, що вступили в симбіоз із протоеукаріотами. Дисмутаза присутня у всіх основних тканинах аеробів. Перебування тварин в атмосфері 100%-ного кисню викликає адаптивне підвищення вмісту дисмутази, особливо в легенях; тривале перебування в такій атмосфері призводить до ушкодження легень і летальному результату. Антиоксиданти, наприклад a-токоферол (вітамін Е), здатні вловлювати вільні радикали, такі, як О₂^-., знижуючи тим самим токсичність кисню.