| |
 |
ДПН•2Н далее передаст оба атома водорода другому веществу и будет снова окислен до состояния обычного ДПН. Теперь он готов снова принять два атома водорода, чтобы опять передать их дальше, и так далее.
Так что же это за «другое вещество», которому ДПН отдаст водород? Кислород?
Давайте посмотрим. Если пиридин-фермент принимается за работу по дегидрогенизации субстрата, например, молочной кислоты, в отсутствие других ферментов и субстратов и в азотистой атмосфере, то реакции не произойдет. Да, атомы водорода ДПН примет, но передать их будет нечему. А общее количество присутствующих в системе молекул ДПН настолько мало по сравнению с количеством молекул молочной кислоты, что даже полное восстановление всего запаса ДПН не отразится сколь-нибудь заметным окислением молочной кислоты. Пока ДПН не сможет отдавать получаемые атомы водорода, реакция не запустится.
Исправить положение удается, если добавить в систему кислород, из чего становится ясно, что кислород принимает водород в реакциях с участием пиридин-фермента.
Однако, если добавить в систему другие вещества, например, метиленовую синь, то реакция состоится и в отсутствие кислорода. Метиленовая синь будет принимать атомы водорода у ДПН•2Н. Это вещество, как понятно из названия, имеет синий цвет, но восстановленная метиленовая синь – бесцветна. Так что за ходом реакции можно следить по постепенному обесцвечиванию метиленовой сини.
Это, конечно, интересно, но практического решения проблемы нам не дает, поскольку в живой ткани метиленовая синь не встречается. Эти экспериментальные данные свидетельствуют лишь о том, что ДПН и ТПН могут при определенных обстоятельствах отдавать атомы водорода другим веществам, но каким же именно веществам они отдают атомы в живой ткани?
Отвлечемся ненадолго, а потом продолжим.
В 30-е гг. двадцатого века (а то и раньше) ученые нередко выделяли из тканей желтое вещество, получившее название «флавин», от латинского «желтый». К конку десятилетия было установлено строение этих веществ – обнаружилось, что они содержат систему из трех колец, которую организм сам создать не в силах, и опять же, должен получать с пищей в виде «рибофлавина» - одной из разновидностей витамина В.
Варбург показал, что флавины связаны с системами ферментов, которым и передают свой желтый цвет, и первый обнаруженный фермент такого рода получил название «старый желтый фермент Варбурга». В составе флавинов были в конечном итоге найдены два важных кофермента – «флавинмононуклеотид» (ФМН) и «флавинадениндинуклеотид» (ФАД).
Ферменты, в состав которых входят ФМН или ФАД, называются «флафоферментами», и, как оказалось, они, как и ферменты, включающие в себя ДПН или ТПН, катализируют дегидрогенизацию. К примеру, дегидрогенизация янтарной кислоты (единственная, как я уже говорил, во всем цикле катаболизма молочной кислоты, обходящаяся без пидидин-фермента), происходит именно под каталитическим действием «дегидрогеназы янтарной кислоты», коферментом которой является ФАД.
В этом случае, как и в предыдущем, предназначение коферментов – также принимать из субстрата атомы водорода, становясь при этом ФМН•2Н или ФАД•2Н, а затем – отдавать этот водород чему-то еще.
Но есть и разница. Коферменты флавинов могут отдавать атомы водорода кислороду с образованием перекиси водорода. Вследствие этого дегидрогеназы флавоферментов называют еще «аэробными дегидрогеназами», поскольку они могут осуществлять каталитическую деятельность в присутствии кислорода, как единственного принимающего водород вещества. А дегидрогеназы пиридин-ферментного класса называют «анаэробными дегидрогеназами», потому что они не умеют этого делать.
Таким образом, если в систему, содержащую пиридин-ферменты, добавить флавофермент и субстрат (которые сами по себе в реакцию не вступают), то флавофермент примет атом водорода у пиридин-фермента, и передаст его кислороду. Сам по себе флавофермент в прямой контакт с субстратом не вступает, а пиридин-фермент – не вступает в контакт с кислородом. Однако вместе они успешно катализируют дегидрогенизацию субстрата и восстановление кислорода в перекись водорода, как схематически изображено на рис. 64.
Перенос проходит, как видите, в три этапа, на каждом из которых происходит своя окислительно-восстановительная реакция. Как я уже объяснял в конце предыдущей главы, атомы водорода постепенно движутся по пути увеличения окислительного потенциала.
Почему же атомы водорода не могут сразу от ДПН•2Н переходить к кислороду? Такой процесс тоже подразумевал бы увеличение окислительного потенциала. Зачем же нужен промежуточный процесс? Тут можно воспользоваться следующей аллегорией: если сила тяжести тянет человека вниз, он может, подчиняясь ей, сделать два шага по ведущим вниз ступенькам, а может и один – через ступеньку. Как правило, необходимость в промежуточном этапе обуславливается понижением энергии активации. Видимо, организм не может предоставить сразу достаточное количество энергии для того, чтобы преодолеть порог, необходимый для прямой передачи атомов водорода от органического вещества к кислороду. Так, что приходится пользоваться промежуточным этапом в виде неорганического посредника.
В 50-х гг. двадцатого века было обнаружено, что в флавоферментах содержатся атомы металла, а в пиридин-ферментах – нет. То есть, например, дегидрогеназа янтарной кислоты имеет в своем составе атомы железа, другие флавоферменты – атомы меди или молибдена. Железо может принимать форму как двух, так и трехвалентного иона (Fe2+ и Fe3+). Приняв один электрон, трехвалентный ион железа превращается в двухвалентный, а тот, потеряв электрон – обратно в трехвалентный. Так, переключаясь из одной формы в другую, атом железа может выступать переносчиком электронов. Такую же работу может выполнять и медь, переключаясь из состояния одновалентного иона меди (Сu+) в состояние двухвалентного (Сu2+) и обратно. Молибден тоже обладает подобным свойством.
Такой перенос электронов могут осуществлять только металлосодержащие флавоферменты, а чисто органические пиридин-ферменты – не могут. И видимо, перенос электронов – необходимая часть процедуры снижения энергии активации переноса водорода к молекуле кислорода. Ничего точнее сказать, увы, по сей день невозможно.
Можно подумать, что теперь ситуация с атомами водорода, полученными в ходе катаболизма, благополучно прояснена, но это, конечно, не так. Когда кислород принимает атомы водорода из флавоферментов, образуется перекись водорода. Однако, в целом нам известно, что перекись водорода в организме не образуется, так что приведенная схема явно не завершена. Должно быть что-то еще.
В 1925 году британский биохимик Д. Кейлин занимался изучением того, как размешанные в растворе взвеси истолченных тканей различных видов – от бактериальных, до нервных тканей высших животных – поглощают свет. Он обнаружил около разных полудюжины полос поглощения, и приписал их наличие предположительному существования вещества, которое назвал «цитохром», от греческих слов, означающих «клетка» и «цвет». Дальнейшие исследования показали, что полосы поглощения существуют попарно, и каждая пара полос поглощения привязана к своему веществу. Естественно, они получили названия «цитохром а», «цитохром b» и «цитохром с». Со временем выяснилось, что даже такое деление не совсем точно, было вещество, близкое к цитохрому а, но все же не полностью с ним идентичное, и оно получило названием «цитохром а3».
Единственным цитохромом, который удалось достаточно легко выделить из взвеси тканей, оказался цитохром с. Обнаружилось, что это сравнительно простой белок, молекулярный вес его – около 13 000, и каждая молекула этого вещества содержит один атом железа. Этот атом является частью гема, такого же гема, какой входит и в состав гемоглобина (см. гл. 18). Дальнейшие исследования показали, что и в других цитохромах тоже содержится железо – и в каждом случае оно входило в состав либо гема, либо очень похожей на гем группы атомов.
Соответственно, цитохромы получили видовое название «гемоферменты». Каталаза, как я уже упоминал в предыдущей главе, тоже является примером гемофермента, но она не выполняет функций цитохромов. Гемоглобин – это гемосодержащий белок, но не гемофермент. Не все ферменты, в составе которых имеется железо – гемоферменты. К примеру, в состав дегидрогеназы янтарной кислоты тоже входит атом железа, но не как часть гемовой группы.
Когда была установлена схема передачи водорода («дыхательная цепочка»), вскоре стало ясно, что цитохромы должны быть в нее где-то включены. Они присутствуют практически во всех клетках, за исключением разве что клеток некоторых «обязательно анаэробных» бактерий – то есть, таких, которые могут жить только при отсутствии кислорода. Факт того, что в их клетках цитохромы отсутствуют в сочетании с тем, что эти бактерии не могут использовать кислород, сам по себе уже свидетельствует в пользу важности роли цитохромов в дыхательных цепочках.
И опять же, любое вещество, препятствующее деятельности цитохромов – а особенно колебаниям атома железа между двух- и трехвалентным состоянием, что прекращает передачу электрона – препятствует и поглощению кислорода. Воздействие цианидных групп ( – С = N ) таких веществ, как синильная кислота (НСN), или цианистый калий (КСN), приводит к прочному застыванию атома железа в одном из состояний, в результате чего дыхание быстро и навсегда прекращается (именно поэтому цианиды так ядовиты).
Соответственно, цитохромы получили видовое название «гемоферменты». Каталаза, как я уже упоминал в предыдущей главе, тоже является примером гемофермента, но она не выполняет функций цитохромов. Гемоглобин – это гемосодержащий белок, но не гемофермент. Не все ферменты, в составе которых имеется железо – гемоферменты. К примеру, в состав дегидрогеназы янтарной кислоты тоже входит атом железа, но не как часть гемовой группы.
Когда была установлена схема передачи водорода («дыхательная цепочка»), вскоре стало ясно, что цитохромы должны быть в нее где-то включены. Они присутствуют практически во всех клетках, за исключением разве что клеток некоторых «обязательно анаэробных» бактерий – то есть, таких, которые могут жить только при отсутствии кислорода. Факт того, что в их клетках цитохромы отсутствуют в сочетании с тем, что эти бактерии не могут использовать кислород, сам по себе уже свидетельствует в пользу важности роли цитохромов в дыхательных цепочках.
И опять же, любое вещество, препятствующее деятельности цитохромов – а особенно колебаниям атома железа между двух- и трехвалентным состоянием, что прекращает передачу электрона – препятствует и поглощению кислорода. Воздействие цианидных групп ( – С = N ) таких веществ, как синильная кислота (НСN), или цианистый калий (КСN), приводит к прочному застыванию атома железа в одном из состояний, в результате чего дыхание быстро и навсегда прекращается (именно поэтому цианиды так ядовиты).
О положении цитохромов в цепочке можно судить по окислительным потенциалам, приведенным в таблице 9. Очевидно, цитохромы стоят где-то после флавинов, принимают электроны от атомов водорода и передают их, по одному путем колебания железа между двух- и трехвалентным ионным состоянием, от «b» к «с», от «с» к «а», от «а» к «а3». Возможно, при этом передаются и сами атомы водорода, хотя в этом отношении точных данных нет.
Однако где-то ведь цепочка должна закончиться! На каком-то этапе водород должен быть передан кислороду – и это этап цитохрома а3. Окислительный потенциал системы «кислород/вода» равен +0,80, и он в конце концов берет свое. Поскольку цитохром а3 может использовать кислород в качестве получателя водорода, в результате чего образуется вода, а не перекись водорода (получается, вот он, фермент, катализирующий разрыв связи О – О!) , то его можно назвать «оксидазой». На самом деле, именно под этим названием цитохром а3 и известен по большей части – «цитохромоксидаза».
Все, получили воду, можно теперь расслабиться. Теперь дыхательная цепочка собрана до конца.
Опять возникает вопрос – почему же она оказывается такой длинной? Почему же требуется так много коферментов и простетических групп, чтобы перенести атомы водорода от субстрата к ферменту?
Как я уже говорил, при дегидрогенизации вещества уровень свободной энергии снижается на 35-70 килокалорий на моль вещества, но организм не может использовать высвобождающуюся энергию, если только не запасет ее в виде высокоэнергетических фосфатных связей. Насколько известно, в ходе одной реакции может образоваться только одна высокоэнергетическая связь. Поскольку запасти таким образом можно только 8 килокалорий на моль вещества, то перевод одной реакции дегидрогенизации в одну реакцию образования высокоэнергетической фосфатной связи означал бы потерю семи восьмых энергии.
Таблица 9
Окислительные потенциалы.
Окислительно-восстановительная
система, Окислительный потенциал
ДПН/ДПН•2Н
- 0,32
ФАД/ФАД•2Н
- 0,22
b(Fe3+)/b(Fe2+)*
- 0,05
c(Fe3+)/c(Fe2+)*
+0,25
a(Fe3+)/a(Fe2+)*
+0,29
a3(Fe3+)/a3(Fe2+)*
+0,30
* - цитохромы
Наличие длинной дыхательной цепочки позволяет живой ткани разбить процесс уменьшения свободной энергии на фрагменты, на каждом из которых можно создавать по одной высокоэнергетической фосфатной связи. В начале 50-х гг. двадцатого века достаточно убедительно было показано, что таким образом в среднем на основе одной реакции дегидрогенизации удается создать по три высокоэнергетических фосфатных связи. Таким образом, эффективность использования энергии достигает хотя бы 35%.
Естественно, возникает интерес, а где же именно, на каком участке дыхательной цепочки формируются высокоэнергетические фосфатные связи. Для ответа на этот вопрос попытаемся действовать методом исключения.
Система с участием дегидрогеназы молочной кислоты производит три высокоэнергетических фосфатных связи на каждую потребляемую молекулу молочной кислоты. С другой стороны, система с участием дегидрогеназы янтарной кислоты произведет лишь две высокоэнергетических фосфатных связи на каждую потребляемую молекулу янтарной кислоты. Дегидрогеназа янтарной кислоты – флавофермент, так что при дегидрогенизации янтарной кислоты из процесса выпадает этап пиридин-фермента. Поскольку этому выпадению соответствует потеря одной реакции образования высокоэнергетической фосфатной связи, то остается сделать вывод, что одна такая связь образуется именно при переходе от ДПН к ФАД.
Путем добавления в дыхательную систему различных химических веществ можно исключать из цепочки те или иные звенья, и отмечать, сократится ли при этом количество образуемых высокоэнергетических фосфатных связей. Итоговые предположения об участках образования этих связей приведены на рис. 65.
Каковы же механизмы реакций «окислительного фосфорилирования» (то есть – производства высокоэнергетических фосфатных связей путем окисления, представленного в виде переноса атомов водорода)? Это до сих пор неизвестно. Если излагаемая в данной книге информация производит впечатление, что наука сумела решить все проблемы, то заверяю вас – это впечатление ошибочно.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
| |
| |
|
|
|
