игазы—ускоряют реакции синтеза, сопряженные с распадом богатых энергией связей. Эти классы и положены в основу новой научной классификации ферментов.

1. Оксндоредуктазы. К классу оксидоредуктаз относят ферменты, катализирующие реакции окисления—восстановления. Общая схема их может быть представлена следующим образом:

Оксидореяуктаза

Субстрат+акцептор . ' Субстрат + Акцептор восста-

окисленный новленньгй

Окисление протекает как процесс отнятия атомов Н (электронов) от субстрата, а восстановление—как присоединение атомов Н (электронов) к акцептору. Если обозначить акцептор буквой А, а субстрат—В, то уравнение реакции окисления—восстановления при участии оксидоредуктаз примет такой вид:

ВН2+А . В+АН2

Характерной особенностью деятельности оксидоредуктаз в живой клетке является их способность образовывать системы (так называемые цепи окислительно-восстановительных ферментов), в которых осуществляется многоступенчатый перенос атомов водорода или электронов от первичного субстрата к конечному акцептору, которым является, как правило, кислород, так что в результате образуется вода.

Те оксндоредуктазы, которые переносят атомы Н или электроны непосредственно на кислородные атомы, носят название аэробных дегидрогеназ или оксидаз. В отличие от них оксндоредуктазы, переносящие атомы Н и электроны от одного компонента окислительной цепи ферментов к другому без передачи их на кислородные атомы называют анаэробными дегидрогеназами или редуктазамн.

Если фермент катализирует реакцию отнятия Н непосредственно от окисляемого вещества (первичного субстрата), то его называют первичной дегидрогеназой. Если фермент ускоряет снятие водородных атомов со вторичного субстрата, который получил атомы Н при посредстве первичной дегидрогеназы (вторичным субстратом может быть кофермент самой первичной оксндоредуктазы), его называют вторичной дегидрогеназой (см. гл. X).

Другая особенность оксидоредуктаз состоит в том, что, будучи двухком-понентными ферментами с весьма ограниченным набором активных групп (коферментов), они способны ускорять большое число самых разнообразных окислительно-восстановительных реакций. Это достигается за счет того, что один и тот же кофермент способен соединяться со многими апоферментами, образуя каждый раз оксидоредуктазу, специфичную по отношению к тому или иному субстрату или акцептору.

Еще одна, пожалуй, главная особенность оксидоредуктаз заключается в том, что они ускоряют протекание химических процессов, связанных

117

с высвобождением энергии. Последняя используется как для обеспечения синтетических процессов в организме, так и для других нужд.

В природных объектах обнаружено около пятисот индивидуальных ок-сидоредуктаз. Наиболее распространены оксидоредуктазы, содержащие в качестве активной группы никотинамидадениндинуклеотид, или НАД+ (о строении нуклеотидов см. гл. VI):

Опсленвы форш НАД (НАД*) Вхжпяомеяш форм НАД (НАДН)

Более половины известных в настоящее время оксидоредуктаз содержат НАД* в качестве кофермента. Соединяясь с тем или иным специфическим белком и образуя таким образом двухкомпонентный фермент, который сокращенно называют пиридинпротеином, НАД+ резко усиливает свою способность восстанавливаться по ядру никотинамида. В результате пиридин-протеины способны отнимать от субстратов (спирты, альдегиды, дикарбо-новые и кетокислоты, амины и др.) атомы Н в виде гидрид-ионов (Н~) И протонов (Н+), окисляя, таким образом, указанные соединения. Все пири-динпротеины являются анаэробными дегидрогеназами, т.е. не передают снятые с субстрата атомы водорода на кислород, а посылают их на ближайший в окислительной цепи другой фермент.

Рассмотрим строение и механизм действия одного из пиридинпротеинов— алкогольдегидрогеназы из печени животных. Это белок с М = 73000, состоящий из двух субъединиц, каждая из которых несет молекулу НАД"1" и атом Zn. В процессе отнятия атомов Н от спирта образуется тройной апофермент-кофермент-субстратный комплекс, удерживаемый Zn2+. Строение этого комплекса и механизм реакции окисления спирта в альдегид представлены на рис. 53. Непосредственно к никотинамидадениндинуклеотиду от молекулы спирта переходит один атом водорода в виде гидридного иона (Н~), т.е. атома водорода, несущего дополнительный электрон. Второй атом водорода, отнимаемый от молекулы спирта, наоборот, теряет электрон, превращаясь в протон (Н+), и поступает в реакционную среду. Поэтому уравнение реакции окисления спирта при участии НАД+ записывают так:

R—СН2ОН + НАД4 R-C^° + НАДН + Н+

118

Рис. S3. Механизм действия алкогольдегидрогеназы

НАД * удерживается на поверхности белковой молекулы связями, возникакмцими между положительно заряженным атомом азота пиридинового цикла и отрицательно заряженным атомом серы (из HS-группы), а также между атомами азота пуринового цикла н атомом серы через посредство Zn2+. Молекула спирта присоединяется к активному центру фермента за счет координационной связи между атомом О и Zn1* Каталитическую функцию в переносе атомов водорода от молекулы спирта к НАД* выполняет имидазольный радикал гистидина К пиридиновому ядру НАД* присоединяется атом водорода, ранее находившийся в связи с атомом углерода, несущим спиртовую группу. Атом водорода спиртовой группы протонируется (/). Присоединение НАД* к апоферменту происходит по иуклеотидс язывающему домену (II), составленному из п-спиралей и Р-слоев Структура нуклеотид-свяэывающего домена близка у всех НАД-зависимых дегидрогеназ к нижней части домена (р-тяжи А, В и С) присоединяется фрагмент АМФ, а к верхней (Р-тяжи D, Е и F)—фрагмент никотинамидрибозофосфата молекулы НАД*

В любом случае НАД+ получает два электрона за счет присоединения гид-ридного иона (Н~).

Кроме НАД+ пиридинферменты содержат в качестве кофермента никотн-намидадегшндинуклеотидфосфат (НАДФ+). Этот кофермент является производным НАД"1", у которого водород ОН-группы 2-го углеродного атома рибозы аденозина замещен на остаток фосфорной кислоты.

НАДФ+, соединяясь со специфическими белками, образует большую группу пиридинпротеинов, характеризующуюся своим набором субстратов. Механизм окисления при участии НАДФ+ в качестве кофермента аналогичен таковому при посредстве НАД"1". Более того, НАДН и НАДФ+, равно как НАДФН и НАД+, при каталитическом участии специального фермента—трансгидроге-вазы—способны обмениваться атомами водорода и электронами:

НАД(Ф)*-

НАДФН+НАД*, НАДФ+ + НАДН

трансгидрогеназа

Партнером восстановленных форм пиридинпротеинов в оксидоредуктаз-ной цепи, как правило, служат флавопротеины (ФП). Таким флавопротеином, например, является фермент, несущий в качестве активной группы фосфорили-рованный витамин В2. Окисленная форма этого флавопротеина (М = 52000) окрашена. Каждая молекула фермента несет молекулу рибофлавинфосфата (или флавинмононуклеотида, ФМН), способного принимать и отдавать два атома Н по атомам N изоаллоксазинового кольца:

119

он

он

сн2о— р = о н—с—он чон

СНзО-Г^С.

н-с-он он

Н,0

н,с

Окрашенная форма (окисленная)

Бесцветная форма (восстановленная)

Другим коферментом в флавопротеинах является флавинадениидинуклео-тид (фА«: он | он

сн2—о—0-}-Р=0 (СНОН)3 о

сн,

НаС/

с"

II

о

с=о

¦NH

Флавиналеннндннуклеотнл (ФАД)

ФМН и ФАД, соединяясь с различными апоферментами, дают начало приблизительно тридцати флавопротеинам, отличающимся различной специфичностью по отношению к субстратам.

Основная функция флавопротеинов—перенос электронов (атомов Н) от восстановленных пиридинпротеинов к другим компонентам окислительно-восстановительной цепи, т.е. ФП в большинстве случаев являются вторичными дегидрогеназами. Однако некоторые флавопротеины, особенно с ФАД в качестве кофермента, могут непосредственно снимать атом Н с субстрата.

Коферментами оксидоредуктаз являются также хиноны. Так, соединяясь с белком, убихиноны образуют убихннонпротеин, являющийся важной составной частью ансамблей оксидоредуктаз, при посредстве которых осуществляется перенос атомов Н и электронов.

Убихиноны являются производными бензохинона и обладают боковой цепью, составленной из большого числа изопреноидных остатков:

Н3С-Н3С-

о

I II

сн,

Н2%Ас

^S^ch, п,

н

с

н

бокоаи цель

Остаток зажщениого

120

Число изопреноидных фрагментов в боковой цепи (и) колеблется от б до 10. Установлено, что убихиноны принимают участие в окислительно-восстановительных процессах в организме, осуществляя передачу атомов Н:

СНз +2Нд [CH2-CH=C-CH2 — J nH - 2Н

СНз

+ 2Н, Н3С-0_т|Лу-СНз

-2Н Н3С — оЛ^>— [CHj — СН=С —CHj- JnH

ОН

I

СН.

В растениях эту функцию выполняет похожее на убихинон соединение— пластохинон:

Пластохинон

Наиболее сложный, но и самый распространенный вариант окислительно-восстановительного процесса в клетке состоит в окислении атомов Н, снятых с субстрата, при посредстве цитохромной системы.

Цитохромную систему образуют несколько оксидоредуктаз, имеющих в качестве простетических групп железопорфирины (рис. 54). Еще в 1915 г., двадцатью годами ранее О. Варбурга, на возможную роль железосодержащих белков в биологическом окислении обратили внимание А. Я. Данилевский и Б. П. Соловцов. Соединяясь с белками различного строения, железопорфирины 4 типов (Л, В, С и D) дают начало семейству хромопротеинов, объединяемых под общим названием—цитохромы. Сейчас известно несколько десятков цитохро-мов, и список их непрерывно пополняется. Каждый индивидуальный цитохром обозначают строчной латинской буквой а, Ъ, cud с соответствующим порядковым индексом, например blt Ъг, Ъъ и т.д., а класс цитохрома—прописной латинской буквой А, В, С или D. Принадлежность цитохрома к определенному классу определяется строением простетической группы (железопорфирина), а окончательная индивидуальность—строением апофермента (белка). В последнее время предпочитают наряду с порядковым номером цитохрома указывать характерную длину волны, при которой отмечается поглощение в видимой части спектра (например, цитохром Ь6 или bS63, найденный в хлоропластах, и т. п.).

Первичная структура ряда цитохромов выяснена: оказалось, что их видовая специфичность связана с небольшими различиями в чередовании аминокислот. Эти данные принципиально важны для понимания природы видовой и иной специфичности ферментов: видимо, она определяется различиями

121

Рис. 54. Строение цитохрома с из сердечной мышцы лошади

Простетическая группа цитохрома с представлена желеэопорфирнном (с атомом Fe1* в центре). Связь его с белком осуществляется за счет взаимодействия винильных радикалов гема с HS-группами 14-го и 17-го остатков цистеина полипептидиой цепи. Аминогруппа N-концевого глицина ацетнлирована. На объемной модели цитохрома с цифрами указаны номера аминокислотных остатков, каждый из которых также представлен пространственной структурой

прежде всего в первичной структуре апоферментов. Цитохромы bu Ь2, Ь3тя т.д., содержащие одну и ту же простетическую группу, отличаются друг от друга именно по этому признаку.

На рис. 54 приведена структура щгтохрома с из сердца лошади. Молекулярная масса цитохрома с невелика—порядка 13 ООО. При увеличении в 1 млн. 300 тыс. раз (электронная микроскопия) видно, что полипептидная цепь цито-

122

хрома с свернута в а-спираль длиной в 12—15 нм, которая, в свою очередь, закручена в спираль второго порядка с диаметром в 4—5 нм, так что группа гема оказывается изолированной внутри обвивающей ее полипептидной цепи. Кольцеообразные молекулы легко образуют более крупные агрегаты. Строение остальных цитохромов изучено менее детально. Однако известно, что молекулярные массы некоторых из них более высоки. Способность агрегировать друг с другом, по-видимому, одно из свойств, присущих молекулам цитохромов.

Именно поэтому цитохромы образуют цитохромную систему, представляющую собой упорядоченное сочетание в едином комплексе различных цитохромов, например Ь, ска.

Цитохромная система способна принимать электроны, снятые с атомов Н восстановленного убихинона (УХ). Она передает электроны далее по цепи цитохромов и, наконец, на кислородный атом; последний, соединяясь с ионизированными атомами Н, образует молекулу Н20.

В цепи цитохромов каждый из индивидуальных цитохромов занимает строго определенное место. Простейший вариант цитохромной системы приведен на следующей схеме:

Как видно из схемы, передача электронов в цитохромной цепи осуществляется за счет изменения валентности атома Fe порфиринового ядра. Из всех цитохромов только цитохром а, аъ передает электроны на кислород. Поэтому именно он завершает цепь цитохромов и носит название цитохромоксидазы. Кроме атомов Fe (в составе гема) цитохром а, аъ содержит также атомы Си, с которыми связывают его окислительные свойства (см. гл. X, рис. 132).

Таковы характерные черты действия некоторых важнейших оксидоредуктаз и окислительно-восстановительных систем, обеспечивающих превращение ряда веществ в клетке.

2. Трансферазы. В этот класс входят ферменты, ускоряющие реакции переноса функциональных групп и молекулярных остатков от одного соединения к другому. Это один из наиболее обширных классов: он насчитывает около 500 индивидуальных ферментов. В зависимости от характера переносимых группировок различают фосфотрансферазы, аминотрансферазы, гликозилтрансфе-разы, ацилтрансферазы, трансферазы, переносящие одноуглеродные остатки (метилтрансферазы, формилтрансферазы), и др.

Фосфотрансферазы. Сюда относятся ферменты, ускоряющие реакцию переноса остатка фосфорной кислоты. Эта реакция имеет исключительно важное значение для жизнедеятельности организма, обеспечивая превращение ряда органических соединений в фосфорные эфиры, обладающие повышенной химической активностью и более легко вступающие в последующие реакции. Перенос фосфатных групп идет на спиртовые, карбоксильные, азотсодержащие, фосфорсодержащие и другие группы тех или иных органических соединений. В соответствии с этим среди фосфортрансфераз различают несколько подподклассов.

123

Донором фосфатных остатков является в большинстве случаев аденозинт-рифосфорная кислота (АТФ), но возможны и другие их источники. К фосфо-трансферазам относится, например, гексокиназа—фермент, ускоряющий перенос остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ к глюкозе (с этой реакции обычно начинается преобразование глюкозы):

N**Sl-N

сн2он

он

он i

он

НО-Р-О—Р—О-Р-О-СН,

ii ii ii 2

ООО

АТФ

/ОН

сн,-о-р=о

W

он он

NHj N^N-N

Пекохшиш

(АТФ;1Хглюкоэа--бфхфотрыкферш)

нур-\н°Н он он ЦД?

Ч-Г"

Глкжоэоб-фосфгг ( К-С-глюкопиржнозо--6-фосфвт)

он он

Гексокиназа распространена повсеместно. Особенно хорошо изучена гексокиназа дрожжей. Ее молекула (М = 96000) составлена из 4 субъединиц. Муль-тимер устойчив при рН 5. При снижении или повышении рН раствора молекула гексокиназы распадается на 4 протомера'(М=24 ООО), лишенных фосфо-трансферазной активности. В соответствии с двойственной природой субъединиц в мультимерах обнаружено 5 изозимов гексокиназы.

Преобразование многих других моносахаридов тоже начинается с их фос-форилирования при посредстве фосфотрансфераз: так обстоит дело в случае [$-D-фрукто