Оксидоредуктазы

Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции.

При этом происходит перенос атомов водорода или но отдельности протонов и электронов. Схематично действие оксидоредуктаз можно описать уравнением:

Если S, — это нс кислород, то процесс анаэробный, а ферменты называют дегидрогеназами, если S, — кислород, то процесс аэробный, а ферменты в зависимости от условий называют оксидазами или оксигеназами.

Оксидоредуктазы - многочисленный класс ферментов. Их насчитывают более 500. Они являются двухкомпонентными. При такой большой численности оксидоредуктаз набор их кофсрментов довольно ограничен, а субстратная специфичность обусловлена строением белковой части фермента.

Международные названия строятся по принципу:

донор:акцептор-оксидоредуктаза.

Наиболее распространены никотинамидные (пиридинзависимые) ко- ферменты. Такое название они получили благодаря амиду никотиновой кислоты (никотинамиду, он же витамин В5), в структуру которого входит гетероцикл пиридин. В составе кофермента есть также азотистое основание аденин и остатки рибозы, соединенные дифосфатной группировкой. Весь кофермент представляет собой объединение двух нуклеотидов. Поэтому полное название кофермента — никотинамидадеииндинуклеотид (НАД) или пикотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ).

Разница в строении обусловливает разную локализацию ферментов, содержащих НАД и НАДФ, и взаимодействие с различными субстратами.

Строение коферментов

Рис. 6.17. Строение коферментов:

а - НАД; 6 - НАДФ

В катализируемой реакции проявляет активность непосредственно амид никотиновой кислоты (рис. 6.18).

Работа активного центра НАД и НАДФ

Рис. 6.18. Работа активного центра НАД и НАДФ

Более половины известных в настоящее время оксидоредуктаз содержат НАД или НАДФ в качестве кофермента.

Флавинзависимые оксидоредуктазы или флавопротеины. Их кофермен- тами являются флавинмононуклеотид (ФМН) (рис. 6.19) или флавинаде- ниндинуклеотид (ФАД) (рис. 6.20).

Активным центром этих коферментов является флавиновый комплекс, который получил свое название за желтый цвет (от греч. flavus — желтый). Как очевидно из рис. 6.21, флавиновые коферменты обратимо переносят атомы Н.

Большинство флавопротеипов — вторичные дегидрогеназы, по некоторые флавопротеины, особенно с ФАД в качестве кофермента, могут пепо-

Структура ФМН

Рис. 6.19. Структура ФМН

Структура ФАД

Рис. 6.20. Структура ФАД

Работа активного центра ФАД и ФМН

Рис. 6.21. Работа активного центра ФАД и ФМН

средственно снимать атомы водорода с субстрата, т.е. являются первичными дегидрогеназами.

Коферментами оксидоредуктаз являются хиноны. В животных организмах — это убихинон (рис. 6.22), а в растительных — пластохинон. Другое их название — кофермент Q. В боковой ветви кофермента Q находятся повторяющиеся 6—10 раз остатки изопрена. Отсюда еще одно название — Ql0. Именно длинная боковая ветвь придает высокую гидрофобность этому ко- ферменту, благодаря чему он легко встраивается в липидный слой мембран.

Участие KoQ. в окислительно-восстановительной реакции

Рис. 6.22. Участие KoQ. в окислительно-восстановительной реакции

Некоторые оксидоредуктазы в качестве простетической группы содержат липоевую кислоту, которая получила название за липофильные свойства — способность растворяться в органических соединениях и нерастворимость в воде, благодаря чему может легко проникать через различные биомембраны.

Роль липоевой кислоты важна в превращении ПВК в ацетил-КоА (см. рис. 6.13), т.е. в утилизации углеводов. Также липоевая кислота обладает выраженными антиоксидантными свойствами как в жирорастворимых, так и в водорастворимых средах, прерывая свободнорадикальные процессы.

Активную роль при этом играют тиольные (сульфгидрильпые) SH-rpyn- пы (рис. 6.23), поэтому липоевую кислоту относят также к группе тиоль- ных коферментов. Благодаря макроэргической связи, образуемой между атомом S и субстратом, липоевая кислота осуществляет еще и транспорные функции, т.е. входит в класс трансфераз.

К классу оксидоредуктаз относят цитохромы (от греч. cito — клетка, hro- mos — цвет). Из названия ясно, что это окрашенные соединения. По своей при-

Перенос атомов Н липосвой кислотой

Рис. 6.23. Перенос атомов Н липосвой кислотой

роде — это сложные белки хромопротеины. Небелковая часть цитохромов представляет собой гем (рис. 6.24), подобный гему в гемоглобине. Основу гема составляет порфиновое кольцо, которое образуется из четырех пиррольных циклов и метановых групп. В центре порфинового кольца находится атом железа. Поэтому цитохромы и подобные им структуры часто называют железопорфиринами.

Гем и его структурные компоненты

Рис. 6.24. Гем и его структурные компоненты

В зависимости от строения гема все цитохромы делят на классы: А, В, С и D. В каждом классе выделяют индивидуальные цитохромы, которые различаются по составу белковой части. Индивидуальные цитохромы обозначают соответствующими латинскими буквами с индексом: av ft, и т.д. Другой способ обозначения индивидуальных цитохромов — указание в индексе характерной длины волны, при которой происходит поглощение в видимой области спектра.

Катион железа в цитохромах участвует в транспорте электронов и обратимо превращается из трехвалентного в двухвалентный (рис. 6.25).

Важной особенностью цитохромов является их способность агрегировать и образовывать цитохромную систему. Принимая электроны от субстрата или от других ферментов, цитохромы передают их по цепочке друг другу, осуществляя окислительно-восстановительные превращения (см. параграф 9.3).

Каталаза и пероксидаза также содержат гемовое железо (гемопротеины, железопорфирины), которое участвует в переносе электронов. Оба фермен-

Схема участия цитохромов в окислительно-восстановительных процессах

Рис. 6.25. Схема участия цитохромов в окислительно-восстановительных процессах

та являются компонентами антиоксидантном системы организма и разлагают ядовитый пероксид водорода с образованием нескольких нетоксичных продуктов:

Оба фермента обнаружены в молоке. Содержание каталазы в молоке зависит от ряда зоотехнических факторов: рациона кормления, периода лактации, но, главным образом, от наличия воспалительных процессов в вымени, которые сопровождаются повышенным содержанием соматических клеток в молоке, что установлено по прямо пропорциональной зависимости между этими показателями. Поэтому высокое содержание каталазы в молоке обычно связано с той или иной формой мастита.

Каталаза молока наиболее активна в нейтральной среде (pH 7,0) при 38°С. При пастеризации каталаза разрушается, а если обнаруживается в пастеризованном молоке, то это каталаза бактериального происхождения.

Пероксидазу молока называют лактопероксидаза. Она связана с а-лакт- альбумином сывороточных белков молока и может составлять до 1% общего количества всех сывороточных белков, что намного больше, чем содержание других ферментов. Особенно высоким содержанием лактопероксидазы отличаются молозиво и маститное молоко. Это связано с тем, что данный фермент действует как компонент лактопероксидазной (антибактериальной) системы, уничтожающей патогенные микроорганизмы.

Наибольшую активность лактопероксидаза проявляет при pH 6,8. Она выщенляет из пероксида атомарный кислород и переносит его на легко окисляемые агенты (ароматические амины и кислоты, фенолы, >ТО2-ионы и тиоцианат). Многие из катализируемых лактоиероксидазой реакций сопровождаются изменением цвета, что используют в производственной практике как индикатор на наличие лактопероксидазы. Нагревание до 85°С в течение 10 с гарантированно ее инактивирует, поэтому тест на лактопе- роксидазу используют для контроля режимов температурной обработки молока и сливок.

К классу оксидоредуктаз относится ксаптипоксидаза, обнаруживаемая в молоке. Ее часто называют ферментом Шардингера, по фамилии первооткрывателя. Субстратами ксантиноксидазы являются ксантин, гипоксантин и альдегиды, а также нитраты (NO:3), которые восстанавливаются до нитритов (N02). Продуктами окисления ксантиноксидазы являются кислоты и супероксидные радикалы, поэтому ее относят к прооксидантам.

В организме человека и животных ксантиноксидаза завершает обмен пуриновых оснований образованием мочевой кислоты (рис. 6.26).

Этот фермент имеет олигомерную структуру, состоит из двух субъединиц. В активном центре каждой субъединицы находится кофермент ФАД. Кроме этого с молекулой ксантиноксидазы связаны четыре атома железа и один атом молибдена. Считается, что весь Мо молока входит в состав ксантиноксидазы, и дефицит этого минерала в рационе животных приводит к снижению активности ксантиноксидазы.

Участие ксантиноксидазы в окислении ксантина

Рис. 6.26. Участие ксантиноксидазы в окислении ксантина

В молоке преимущественное количество ксантиноксидазы связано с белками оболочек жировых шариков, поэтому в первую очередь она усиливает процессы окислительной порчи молочного жира. Однако, пока ксантинок- сидаза связана с оболочками молочного жира, она малоактивна. Как только ксантиноксидаза становится свободной, ативность ее повышается. Это может произойти во многих технологических процессах, затрагивающих целостность оболочек жировых шариков молока.

Например, гомогенизация — процесс, требующий намеренного разрушения фосфолипидных оболочек шариков жира. Обычное резервирование молока при 4°С в течение 24 ч сопровождается кристаллизацией молочного жира, а следовательно, и частичным повреждением его оболочек. При нагреве до 70°С в течение 5 мин из таких жировых шариков происходит вытапливание некоторого количества свободного жира. Эти и другие операции, связанные с получением, хранением, транспортировкой и переработкой молока могут способствовать освобождению ксантиноксидазы и ее непосредственному контакту с молочным жиром. Поскольку этот фермент проявляет прооксидантиые свойства, он провоцирует увеличение окислительных процессов в продукте. По данным А. Тенела, молоко с признаками окислительной порчи содержит в 10 раз больше ксантиноксидазы, чем нормальное молоко.

Ферментом антиоксидантной защитной системы организма является супероксиддисмутаза (СОД), нейтрализующая ионы супероксида (О^), возникающие в различных окислительно-восстановительных процессах, в частности, при действии ксантиноксидазы. СОД разлагает их с образованием пероксида и молекулярного кислорода:

Хорошо изучена СОД крови крупного рогатого скота. Это димер, содержащий атомы Си и Zn, свободные SH-группы и одну S—S-связь. Предполагают, что СОД молока имеет идентичное строение. Установлено, что содержание СОД в молоке пропорционально содержанию ксантиноксидазы. Это свидетельствует о том, что СОД синтезируется для компенсации негативного действия ксантиноксидазы.

В молоке СОД сохраняет активность после нагревания до 71°С в течение 30 мин [261.

К классу оксидоредуктаз относятся гидроксилазы, которые катализируют присоединение только одного атома кислорода из его молекулы. Второй атом при этом идет на окисление восстановленных форм НАДН и НАДФН. Гидроксилазы очень активны в надпочечниках млекопитающих. С участием этих ферментов идут многие стадии синтеза стероидных гормонов (см. практический пример 1 в гл. 8).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >