Витамины и их коферменты дыхательной цепи
НАД –зависимые дегидрогеназы.
В качестве кофермента содержат НАД и НАДФ. Пиридиновое кольцо никотинамида способно присоединять электроны и протоны водорода.
НАД-зависимая дегидрогеназа расположена на матриксной поверхности внутренней мембраны митохондрий отдает пару электронов водорода на ФМН-зависимую дегидрогеназу. При этом из матрикса пара протонов переходит также на ФМН и в результате образуется ФМН Н2. В это время пара протонов, принадлежащих НАД выталкивается в межмембранное пространство.
Строение митохондрий
Субстратами НАД-зависимых дегидрогеназ являются спирты, альдегиды, амины, дикарбоновые и кетокислоты. Все НАД-зависимые дегидрогеназы являются анаэробными дегидрогеназами, то есть посылают атомы водорода на ближайший в окислительной цепи другой фермент.
Примером НАД-зависимой дегидрогеназы является алкогольдегидрогеназа из печени животных. Фермент состоит из двух субъединиц, каждая из которых несет молекулу НАД+ и атом Zn. Он катализирует реакцию окисления спирта в альдегид.
ФАД-зависимые дегидрогеназы.
Флавиновые дегидрогеназы содержат в качестве простетических групп ФАД или ФМН. Рабочей частью ФАД и ФМН является витамин В2, к которому присоединяются от окисляемого субстрата два протона Н+ и два электрона.
Большинство ФАД-зависимых дегидрогеназ – растворимые белки, локализованные в матриксе митохондрий. Они являются акцепторами протонов Н+ и электронов от субстратов: ацил-КоА, глицерол-3-фосфат и др.
Исключение составляет сукцинат-фумарат дегидрогеназа, находящаяся во внутренней мембране митохондрий — это II комплекс в ЦПЭ. Она является акцептором протонов Н+ и электронов от субстрата – янтарная кислота (сукцинат).
3. Убихинон (коэнзимQ10). Убихинон –это жирорастворимый хинон с длинной изопреноидной боковой цепью. Он найден практический во всех клетках. Количество изопреноидных единиц отображается в названии. В большинстве животных клеток и клеток млекопитающих присутствует убихнон с количеством изопреноидных единиц -10: Ко Q10.
ВорганизмечеловекакоэнзимQ10синтезируетсяизмевалоновойкислотыипродуктовобменатирозинаифенилаланина. Кофермент Q принимает участие в реакциях окислительного фосфорилирования, является компонентом цепи переноса электронов в митохондриях. Ингибиторы работы убихинона останавливают реакции окислительного фосфорилирования.
АнтиоксидантнаяактивностькоэнзимаQ10болеечемв2разапревышаеттаковуюстандартногокомплексавитаминов-антиоксидантов.
4. Цитохромы-это гемопротеины, белки, содержащие в качестве прочно связанной простетической группы гем с Fe+3, окрашенные вкрасный или коричневый цветЦитохромы — это гемопротеины, характерной особенностью которых является перенос электронов, сопряженный с обратным изменением степени окисления простетической группы. Это изменение окислительно-восстановительного состояния включает обратимое равновесие между Fe2+ и Fe3+ состояниями гема:
Цитохромы относятся к одноэлектронным окислительно-восстановительным соединениям. Οʜᴎ не могут принимать или отдавать водород, в связи с этим их называют переносчиками электронов. Цитохромы присутствуют во многих тканях животного, растительного и бактериального происхождения. Цитохромы подразделяются на цитохромы a, b, c и d в соответствии с положением их спектральных полос поглощения в восстановленном состоянии.
Структура гема цитохрома
5. Цитохромоксидаза(a и a3)содержат кроме гема катион меди Сu+2. Цитохромоксидаза,цитохром, а, a3, фермент класса оксидоредуктаз, конечный компонент цепи дыхательных ферментов, переносящий электроны от цитохрома с на молекулярный кислород. Цитохромоксидаза открыта в 1926 году немецким учёным О. Варбургом (т. н. «дыхательный фермент Варбурга»). В растительных и животных клетках локализована во внутренней мембранемитохондрий. По химической природе цитохромоксидаза — сложный белок, в состав молекулы которого входят два гема, два атома меди, а также 20—30% липидного компонента. Оба гема представлены гемом а, но только часть гема а окисляется кислородом и обозначается a3. Связь меди с белком осуществляется через S-содержащий лиганд. При отделении меди Цитохромоксидаза теряет активность. Молекулярная масса цитохромоксидаза (по разным данным) от 50 000 до 240 000 Да. Ингибиторами цитохромоксидазы являются цианид, азид, CO, гидроксиламин
6. Железосерные белки – Fe-S-белки, это окислительно-восстановительные системы, переносящие электроны. Железосерные белки (FeS-белки) содержат атомы железа связанные, с одной стороны, с серой аминокислоты цистеина, а с другой – с неорганической сульфидной серой.Железосерные белки имеют небольшую молекулярную массу около 10 кДа. Дыхательные цепи содержат большое число FeS-центров. Эти белки участвуют в переносе протонов и электронов и, как предполагают, на нескольких стадиях. Однако до сих пор не ясен механизм, по которому железосерные белки претерпевают обратимое окисление-восстановление. Наиболее известный белок из этого семейства, называется ферредоксином.
Железосерные белки-это окислительно-восстановительные системы, переносящие электроны. Они содержат атомы железа, связанные, с одной стороны, с серой аминокислоты цистеина, а с другой-с неорганической сульфидной серой. Последняя очень легко отщепляется в виде сероводорода при подкислении. Остатки цистеина входят в состав полипептидных цепей Fe-S-центры можно рассматривать как простетические группы полипептида. Участвующие в дыхательной
Источник
В переносе электронов от субстрата к молекулярному кислороду принимают участие:
1. Коферменты на основе витамина В5 (РР) — пиридинзависимые дегидрогеназы, для которых коферментами служат либо НАД, либо НАДФ;
2. Коферменты на основе витамина В2 — флавиновые дегидрогеназы (флавиновые ферменты), у которых роль простетической группы играют ФАД или ФМН;
3. Убихинон (коэнзим Q);
4. Цитохромы, содержащие в качестве простетической группы железопорфириновую кольцевую систему. Среди компонентов дыхательной цепи обнаружены также и железосерные белки (FeS), содержащие негеминовое железо.
5.2.1. Характеристика коферментов на основе витамина В5 (РР)
Витамин B5 является компонентом коферментов. Функции витамина в организме человека выполняют никотиновая кислота и ее амид. Ниацин в организме используется для образования никотинамидных коферментов. Их представителями являются никотинамид-аденин-динуклеотид (НАД+, NAD+) и никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфат (НАДФ+, NADP+). Эти коферменты образуют специфические, каталитически активные комплексы с многочисленными (более 200) дегидрогеназами. Холоферменты участвуют в осуществлении окислительно-восстановительных реакций метаболизма.
В частности, эти комплексы:
1. Облегчают реакции окисления одного субстрата за счет восстановления другого. Эти реакции особенно важны для осуществления окислительных процессов в отсутствии кислорода. Примером подобных реакций может служить обратимое окисление молочной кислоты до пировиноградной, которую катализирует фермент лактатдегидрогеназа (ЛДГ):
НООC-CН(ОН)-CH3 НООC-C(О)-CH3
молочная к-та НАД+ НАДН∙Н+ПВК
Схема 1. Участие кофермента НАД+ в обратимом окислении молочной кислоты в составе фермента лактатдегидрогеназы
2. Обеспечивают функцию компонентов дыхательной цепи, транспортируя электроны (водород) от субстрата на кислород.
Схема 2. Химическое строение никотинамида
Схема 3. Химическое строение никотиновой кислоты
Помимо окислительно-восстановительных реакций, лежащих в основе энергетического обмена, ниацин участвует в ряде других, не окислительно-восстановительных реакций. В частности доказано, что эти реакции сопровождают передачу информации от клетки к клетке, транскрипцию ДНК, синтез хроматина, дифференциацию клеток и многие другие жизненные процессы. Поступает с пищей, синтезируется в организме из триптофана. Участвует в процессах тканевого дыхания, углеводном, белковом и липидном обмене, оказывает нормализующее влияние на уровень холестерина. Обладает выраженным свойством расширять периферические сосуды
Схема 4. Химическая структура кофермента НАД+ В рамке показана восстановленная форма активного центра кофермента (НАДН·Н+).
Стрелкой показано расположение фосфатной группы в молекуле НАДФ.
Суточная потребность в витамине В5 (РР) – 15-25 мг. Повышается при физической нагрузке, лактации, низкой температуре, в высокогорье, а также при инфекционных заболеваниях, поражениях желудочно-кишечного тракта и нарушении всасывания. В организме возможен синтез никотиновой кислоты из аминокислоты триптофана. При этом из одной из 50 молекул триптофана образуется одна молекула никотиновой кислоты. Недостаток триптофана в пище резко усугубляет симптомы гиповитаминоза никотиновой кислоты при его наличии.
Контрольные вопросы
1. В какие реакциях в организме принимает участие ниацин ?
2. Сколько составляет суточная потребность в витамине В5?
5.2.2. Характеристика коферментов на основе витамина В2
Относится к группе животных пигментов – флавонов. Рибофлавин хорошо растворим в воде, устойчив в кислых растворах, но легко разрушается в нейтральных и щелочных растворах. Весьма чувствителен к УФ-излучению и сравнительно легко подвергается обратимому восстановлению, присоединяя водород по месту двойных связей и превращается в бесцветную лейкоформу. Это свойство рибофлавина легко окисляться и восстанавливаться лежит в основе его биологического действия в клеточном метаболизме. Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, влияя на обмен веществ всего организма.
Витамин B2 интенсифицирует процессы обмена веществ в организме, участвуя в метаболизме белков, жиров и углеводов. Рибофлавин необходим для образования красных кровяных телец и антител, для дыхания клеток и роста. Он облегчает поглощение кислорода клетками кожи, ногтей и волос. Он улучшает состояние органа зрения, принимая, наряду с витамином A, участие в процессах темновой адаптации, снижает усталость глаз и играет большую роль в предотвращении катаракты. Витамин B2 оказывает положительное воздействие на слизистые оболочки пищеварительного тракта. Рибофлавин входит в состав флавиновых коферментов, в частности ФМН (флавиномононуклеотид) и ФАД (флавиноадениндинуклеотид).
6,7-Диметил-9-(D-1-рибитил)-изоаллоксазин
Схема 5. Химическое строение рибофлавина
Различают 2 типа реакций с участием этих коферментов:
1. Фермент осуществляет прямое окисление с участием кислорода, т.е. дегидрирование (отщепление электронов и протонов) исходного субстрата или промежуточного метаболита. К ферментам этой группы относятся оксидазы L- и D-аминокислот, ацил-КоА-дегидрогеназа, глициноксидаза и др.
Схема 6. Химическое строение окисленной формы кофермента ФАД (ФМН). (цифрами 1 и 5 показаны места присоединения водорода в окислительно-восстановительных реакциях с образованием восстановленной формы кофермента ФАДН2)
В качестве примера можно привести следующую схему окисления с участием ФАД:
(суб. восс.ф.) (суб. окис.ф.)
R-CH2-CH2-COOH R-CH=CH-COOH
ФАД ФАДН2
Схема 7. Участие кофермента ФАД в окислении карбоновых кислот
2. Характеризуется переносом электронов и протонов в системе биологического окисления.
ФМН и ФАД прочно связываются с белковым компонентом молекулы фермента, иногда ковалентно, как в молекуле сукцинатдегидрогеназы. В составе дыхательной цепи ФМН в качестве кофермента входит в состав НАД·Н-дегидрогеназы, которая акцептирует водород, отщепляемый от НАДН·Н+. Молекулярная масса НАД·Н-дегидрогеназы около 106. Этот флавиновый фермент тесно связан с железосерным белком, участвующим передаче электронов на коэнзим Q. НАД·Н-дегидрогеназа пересекает поперек внутреннюю мембрану митохондрий, находясь в окружении липидов. Активный центр ее обращен к внутренней поверхности этой мембраны, т.е. к матриксу.
Суточная потребность в витамине В2– 2-3 мг. Возрастает при физической нагрузке, лактации, высокой калорийности пищи с большим содержанием белка, при употреблении больших количеств никотиновой кислоты.
Контрольные вопросы
1. Какие функции в организме выполняет рибофлавин ?
2. В состав каких коферментов входит рибофлавин ?
3. Какие реакции в организме протекают с участием этих коферментов?
4. Сколько составляет суточная потребность в витамине В2?
Источник
Атомы Н с восстановленных форм НАДН+Н+ и ФАДН2, образованных в ЦТК, служат «топливом» для дыхательной цепи (другие названия: элек- тронотранспортиая цепь (ЭТЦ), цепь переноса электронов (ЦПЭ)).
Дыхательная цепь — это система окислительно-восстановительных ферментов, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрии.
Митохондрии человека имеют овальную форму и две мембраны. Поверхность внутренней мембраны больше, чем наружной, поэтому внутренняя мембрана «смята», а наружная — растянута. Мембраны различаются не только размером, но и составом. Наружная состоит наполовину из белков
Рис. 9.6. Реакции цикла Кребса
и липидов. Во внутренней мембране преобладают белки, их 75%, а липидов — лишь 25%. Исследования показали, что большая часть белков внутренней мембраны — это ферменты, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях и синтезе АТФ.
Если сделать срез митохондрии и рассмотреть его в электронный микроскоп, то на внутренней стороне внутренней мембраны видны многочисленные «горошины» (рис. 9.7).
Рис. 9.7. Срез митохондрии
На участках от одной «горошины» до другой и находятся дыхательные цени. Ферменты в них расположены в определенной последовательности. Число дыхательных цепей, выделенных из клеток разных тканей, неодинаково. Например, одна митохондрия, выделенная из клеток печени, содержит 5000 дыхательных цепей, а из клеток сердца — 20 000.
В первой половине XX в. были открыты окислительно-восстановительные ферменты, и стал известен факт, что при окислении субстратов происходит синтез АТФ. Эти два факта удалось соединить П. Д. Митчеллу1 в так называемой хемиосмотической теории энергетического сопряжения в митохондриях[1][2]. Центральные постулаты этой теории:
- • электронопереносящие цепи митохондрий, хлоропластов и бактерий сопряжены с системой синтеза АТФ через разность электрохимических потенциалов ионов водорода (Ар,,-) на сопрягающих мембранах;
- • химическая энергия, освобождающаяся при переносе электронов, преобразуется в электрохимическую энергию мембранного потенциала;
- • электрохимическая энергия мембранного потенциала преобразуется в химическую энергию связи АТФ.
Схематично цепь ферментов, встроенная во внутреннюю мембрану митохондрии, показана на рис. 9.8.
Рис. 9.8. Схема работы дыхательной цепи
Первой дегидрогеназой является НАД, для которого мембрана митохондрии непроницаема. Поэтому НАД «снимает» атомы водорода с растворенных в матриксе субстратов: ПВК, изолимонной, а-кетоглутаровой, оксиянтар- ной кислот. При этом НАД+ из окисленной формы переходит в восстановленную НАДН+Н*. Атомы водорода с НАДН+Н* поступают на ФМН.
ФМН называют вторичной дегидрогеназой, поскольку она принимает атомы водорода не с субстрата, а с кофермента НАД. В ряде случаев первичной дегидрогеназой является ФАД. Ее субстрат в дыхательной цени — янтарная кислота.
За флавиновыми дегидрогеназами следуют железосерные белки (Fe/S). Атомы Fe в них ковалентно связаны с белком через атомы S остатков Цис и с другими атомами Fe через серные мостики. Активный центр этих ферментов напоминает ячейку, которая переносит только электроны (рис. 9.9). Одна ячейка может передать лишь один электрон, поэтому Fe/S соединяются нарами.
Рис. 9.9. Строение небелковой части железо-серных белков
Следующая дегидрогеназа — убихинон, иначе кофермепт Q (KoQ). Присоединяя атомы Н, убихинон переходит в убихинол (см. рис. 6.22).
Завершающие дегидрогеназы — цитохромы. Не передают Н+, но принимают и передают электроны друг другу, за счет изменения валентности Fe, как показано на рис. 6.25.
Из всех цитохромов только цитохром а3 передает электроны на кислород, поэтому его называют цитохромоксидазой.
Как очевидно из рис. 9.8, в дыхательной цепи переносчики Н+ и электронов (коферменты НАД, ФМН (ФАД) и KoQ) чередуются с переносчиками только электронов (Fe/S и цитохромы). Это вызывает перемещение Н+ из матрикса в межмембранное пространство и ведет к возникновению на внутренней мембране митохондрии химического потенциала АрН.
Каждая из этих окислительно-восстановительных пар ферментов обладает определенным окислительно-восстановительным потенциалом ф, величина которого возрастает при переходе в направлении от НАД к О.,. Таким образом, электроны как бы разгоняются и втягиваются в дыхательную цепь. В результате на внутренней мембране митохондрии генерируется электрохимический потенциал:
Величина цн. на трех участках цепи больше 0,2 В при переносе электронов:
- •с НАД на ФМН;
- • с цитохрома b на цитохром с;
- • с цитохрома а на цитохромоксидазу а3.
В эти моменты и наблюдается синтез АТФ. Причем выяснено, что мембрана митохондрий проницаема для Н+ лишь в сторону межмембранного пространства. Обратное движение Н+ в матрикс осуществляется через протонный канал АТФ-синтазы и служит катализатором синтеза АТФ.
АТФ-синтазу можно увидеть в электронный микроскоп в виде «горошин» на поверхности внутренней мембраны митохондрии со стороны матрикса. АТФ-синтаза — мультиферментный комплекс, образованный двумя ферментами. Их принято обозначать F0 и F, (рис. 9.10).
Рис. 9.10. Схематичное строение и результат действия АТФ-синтазы
F0 насквозь пронизывает внутреннюю мембрану митохондрии и может захватывать Н+ из межмембранного пространства. В этом и заключается его функция. F, сопряжен с F0 и выступает над поверхностью внутренней мембраны в сторону матрикса. Именно эта часть АТФ-синтазы и видна в электронный микроскоп. F, отвечает за синтез АТФ.
В конечном счете на кислород поступают два электрона с цитохромокси- дазы и два иона Н1 с АТФ-синтазы, что в сумме дает молекулу воды:
При этом выделяется такое количество энергии, что в лабораторных условиях реакция может протекать с выделением пламени. В митохондриях вся выделяющаяся энергия запасается в макроэргических связях АТФ. Считается, что поток Н+, протекающий через протонный канал F0 субъединицы, катализирует фосфорилирование АДФ в части АТФ-синтазы.
Установлено, что если первичной дегидрогеназой является НАД, то образуется три молекулы АТФ, если первичной дегидрогеназой является ФАД, то образуется две молекулы А ТФ.
Таким образом, теперь можно произвести расчет энергетического эффекта и для ЦТК, в котором образуется ЗНАДН + Н+, ФАДН2 и ГТФ.
Три восстановленных НАДИ + Н+ дают девять молекул АТФ. При передаче атомов II с ФАД1Ц образуется две молекулы АТФ и молекула АТФ образуется за счет ГТФ. Таким образом, при окислении ацетил-КоА в ЦТК синтезируется 12 молекул АТФ.
Источник