ицерол холиифосфо-трансфераза)

СН,—О—СО—R. I

СН—О—СО—R,

он о»

+/СН3 + НО—Р—О—СНг Оч СН2—О—Р—О—CHj—СН2—N—СН3

Д N:h,

О"

I

Фосфатид (лецитин)

ОН ОН Цитндии монофосфат

и полисахаридов, то там подобную функцию выполняла УДФ-глюкоза в отношении остатка глюкозы. Это дает основание утверждать, что в реакциях биосинтеза соединения типа нуклеозиддифосфатрадикалов играют выдающуюся роль как доноры тех или иных остатков органических соединений. Возможно, эта роль нуклеозиддифосфатпроизводных связана с их способностью

409

превращать стабильную энергию макроэргической связи между остатками фосфорной кислоты в подвижную энергию возбуждения электронов взаимодействующих молекул, что и обеспечивает протекание реакции.

Ферменты и промежуточные продукты приведенного выше цикла реакций обнаружены в большинстве тканей животных, печени птиц, моркови и т. д. Особенно ярко они представлены в мозге. Впрочем, у дрожжей, например, синтез фосфатидилхолина идет главным образом за счет метилирования фосфатидилэтаноламина; это—второй путь биосинтеза лецитина, открытый Дж. Бретеном и Г. Гринбергом (1960). Фосфатидилглицерин, дифосфатидил-глицерин, фосфатидилинозит и фосфатидилсерин синтезируются через цитидин-дифосфатидилглицерины, возникающие из ЦТФ и диглицеридов под воздействием ЦДФ-диглицеридсинтазы (М = 114 ООО, димер). Взаимодействуя с глицеролфосфатом, инозитом и серином, ЦДФ-диглицериды образуют перечисленные выше фосфатиды при участии соответствующих ферментов.

Что касается обмена некоторых других видов липидов (сфиетолипиды, гликолипиды и т. п.), то он осуществляется в соответствии с теми принципами, которые были отмечены при рассмотрении реакций обмена триглицеридов и фосфатидов. Распад сфинголипидов, гликолипидов и т. п. осуществляется при участии гидролаз, а дальнейший обмен продуктов их гидролиза—путем типовых реакций деструкции соединений соответствующих классов: углеводов, высших жирных кислот и др., рассмотренных ранее. Биосинтез сфинголипидов и гликолипидов протекает при широком участии разнообразных ацил-и гликозилтрансфераз.

Перенос липидов между мембранами. В последние годы наметилось новое направление в изучении обмена липидов. Оно касается достаточно энергично протекающего процесса межмембранного переноса липидов, особенно фосфолипидов, из митохондрий в эндоплазматическую сеть и обратно, из мембранной фракции клетки в липосомы, от липосом одного состава к липо-сомам другого состава, от внутреннего липидного слоя мембраны к внешнему и наоборот и т. п. Значение этого динамично протекающего обновления и видоизменения липидного состава мембран огромно, так как при его посредстве регулируется метаболическая активность мембранного аппарата клетки и субклеточных структур.

Важно, что межмембранный перенос липидов осуществляется специфическими белками, имеющими повсеместное распространение. Так, например, из цитозоля клеток печени быка выделен белок, переносящий фосфатидилхолин от одних мембран к другим. Молекулярная масса этого белка, связывающего и переносящего одну молекулу фосфатидилхолина, равна 22000, р/=5,8, в нем 190 аминокислотных остатков, 38% которых полярны.

ГЛАВА X

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Совокупность окислительных реакций, происходящих в биологических объектах и обеспечивающих их энергией и метаболитами для осуществления процессов жизнедеятельности, называется биологическим окислением.

Функции этого важнейшего биологического явления даже несколько шире, чем это отмечено в приведенном выше определении, так как при посредстве реакций биологического окисления разрушаются также вредные продукты обмена веществ и проникшие в организм чуждые соединения. Более того, состояние окислительно-восстановительных процессов в клетках сказывается на регуляции обмена веществ в них:

Детоксикация ксвно- Устранение шлакоВ (Вредных длр^

Виотиков \ / клетки продуктов оВмена)

Синтез Важнейших Функции биологического окисления Регуляция обмена

(ключевых) метаболитов веществ

+_

Энергетическое обеспечение

Г~1 I I I I

поддержа- сВечетя химичес- асмоти- электри- механичес-ния (Виолюми- кик син- ческих ческих кой работы темпера— несценции) тезов явлений процессов туры тела

Разнообразные реакции биологического окисления ускоряются многочисленными ферментами, относящимися к классу оксидоредуктаз. Эти ферменты, как правило, встроены в биологические мембраны, причем очень часто в виде ансамблей.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О МЕХАНИЗМАХ РЕАКЦИЙ БИОЛОГИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ

Разобраться в столь сложном явлении, как биологическое окисление, возможно лишь после ознакомления с теми концепциями, которые постепенно складывались по мере исследования этой проблемы.

Хотя более двухсот лет тому назад (1774—1777) А. Лавуазье считал дыхание очень медленным горением продуктов питания в организме, сходным со сгоранием угля, первая попытка выявить молекулярный механизм

411

биологического окисления была предпринята лишь в следующем столетии Хр. Ф. Шёнбайном (1845—1868). Им была выдвинута идея о том, что необходимым условием протекания биологических окислительных процессов является активирование кислорода. Естественно, что конкретные пути этого активирования выглядели фантастически (предполагалось существование отрицательно-активной формы кислорода, тождественной озону и положитель- ; но-активной, названной антиозоном), но сама идея была плодотворна. Хр. Ф. Шёнбайн впервые высказал мысль о том, что биологическое окисление есть каталитический процесс. Ему же удалось экспериментально доказать образование Н202 при биологическом окислении.

На рубеже XIX и XX вв. наш соотечественник А. Н. Бах и независимо от него в 1ермании К. Энглер и В. Вилд выдвинули гипотезу об образовании пероксидов органических соединений как первом этапе биологического окисления. При этом молекула кислорода переводилась в активированное состояние за счет разрыва двойной связи в ней при посредстве «внутренней колебательной энергии» самого окисляемого соединения, обладающего кратной связью, и при участии ферментов—оксидаз в соответствии с такой, например, схемой:

R-C + 0=0 — I R-c( + -О-О- I — R-C-O

\н I Чн J \н

Перекись Баха

Возникшие пероксиды органических соединений, как и пероксид водорода, могут окислять другие вещества при каталитическом воздействии пероксида-зы—фермента, достаточно в то время уже изученного:

Пероксидаза

R'H2+H202->- R'+2H20

Субстрат" (или пероксид Субстрат (или Н20+оксид

восстановленный органического окисленный органического

соединения) соединения)

Пероксид водорода может распадаться и иным путем, при участии фермента каталазы, о котором в этот период тоже накопилось довольно много сведений:

т ^ Каталаза „_ _ _

2Н202->-2Н20-г-02

Вероятно поэтому, А. Н. Бах придавал большое значение участию в биологическом окислении пероксидазы и каталазы, полагая, что распределение Н202 между пероксидазой и каталазой может служить для регуляции этого процесса, например, в растениях.

В последующее время названным ферментам в окислительно-восстановительных процессах отводили более скромную роль.

Однако в свете данных об активных состояниях кислорода, о существовании супероксид-ионов и ферментов, принимающих участие в их обмене,— супероксиддисмутаз, значение, придаваемое Н202, каталазе и пероксидазе в реакциях биологического окисления, стало неуклонно возрастать.

Принципиально иной подход к расшифровке механизмов реакции биологического окисления был намечен в трудах В. И. Палладина, а вслед за ним— Г. Виланда. На основании опытов с дыхательными хромогенами (под ними он подразумевал бесцветные вещества растительного происхождения, способные.

412

в присутствии оксидаз присоединять кислород и переходить при этом в пигменты, которые, в свою очередь, могли передавать присоединенный кислород окисляемому субстрату, одновременно обесцвечиваясь), В. И. Палладии впервые (1912) высказал идею о том, что биологическое окисление есть перенос водорода от окисляемого вещества навстречу кислороду с образованием воды в качестве конечного продукта. К этой идее В. И. Палладии пришел после того, как в одном из опытов обнаружил, что метиленовый синий, не содержащий в своем составе кислорода, может играть роль дыхательного хромогена, снимая атомы водорода с окисляемого субстрата:

Стало ясно, что дыхательные хромогены являются не переносчиками кислорода, а акцепторами водорода.

Концепция В. И. Палладина довольно быстро получила подтверждение. Благодаря трудам Т. Тунберга, Д. Самнера, Г. Сомерса, В. Мак-Шена и других были выделены и охарактеризованы разнообразные дегидрогеназы, ускоряющие реакции окисления тех или иных субстратов при участии коферментов, являющихся акцепторами снимаемых с них атомов водорода.

Таким образом, в начале нашего столетия сложились две концепции биологического окисления: активирования кислорода и активирования водорода. Их противоборство продолжалось недолго: в 1925 г. Д. Кейлин в тканях ряда насекомых, а затем и в других аэробных биологических объектах открыл цнтохромы—те недостающие ферменты, которые позволили несколькими годами позже связать активирование кислорода и водорода воедино. Этому способствовало обнаружение О. Варбургом (1928) цитохромоксидазы, получившей в то время наименование «дыхательного фермента Варбурга». Именно цитохромоксидаза оказалась тем ферментом, который непосредственно активирует кислород, а цитохромы—ферментами, снимающими электроны с водорода и передающими их цитохромоксидазе. Так впервые возникло представление об ансамблях ферментов дыхательной цепи, обеспечивающих реакции биологического окисления. В частности, оксидоредуктазная цепь, главной составной частью которой являются цитохромы, получила название цитохромной системы:

СубстратV jДегидрогенаэаv /Цитохромы

Субстрат (2Н)

Х(2Н)

k Дегидрогенаэа

Y

Цитохромы <2ё)

-2Н+ —

X

Цитохромоксидаза (2ё)

Цитохромоксидаза

X

Уг02

¦н2о-

Ферменты, находящиеся в конце таких оксидоредуктазных цепей и непосредственно переносящие электроны на кислород, получили название терминальных оксидаз.

413

Позже (1947—1966) было показано, что цитохромной системой не исчерпывается перечень ферментных систем, способных активировать и водород, и кислород с последующим образованием из них молекул воды. Таких систем несколько. Простейшая из них наряду с пероксидазными реакциями—глико-латоксндазная:

Глнколат: 'кислород О оке ндоредуктаз! \ч,

НО—СНа—СООН + О,-* С-СООН + НаО,

(оксидам L-S-okch- / долот) ц

Гликолевая к не лота Глиоксилевая кислота

Она представлена в растениях, у животных, грибов и бактерий. Ешколаток-сидаза из листьев шпината—флавопротеин с М=270 ООО (8x37000). Четвертичная структура октамера гликолатоксидазы и третичная структура субъединиц недавно выяснена; имея около 10 нм в диаметре, октамер, составленный из 4 димеров, обладает полостью диаметром 6 нм. Гликолатоксидаза содержит флавинмононуклеотид (см. с. 120) в качестве кофермента; при его посредстве дегидрируется гликолевая кислота (активирование водорода). Вместе с тем гликолатоксидаза способна активировать кислород и передавать на него атомы водорода с восстановленного флавинмононуклеотида с образованием Н202, т. е. ей присуща флавопротеиноксидазная функция. Образовавшийся пероксид водорода распадается при участии каталазы.

В настоящее время изучено более двух десятков оксидаз флавопротеиновой природы, содержащих ФМН и ФАД в качестве коферментов (оксалатоксидаза, глюкозооксидаза, оксидазы L-аминокислот, ксантиноксидаза и др.).

Другой тип ферментных систем, обеспечивающих непосредственное окисление субстратов с передачей атомов водорода на кислород, представлен медьсодержащими оксидазами. Так как концентрированные растворы этих ферментов имеют синий цвет, их называют «синими оксидазами». Характерным представителем этой группы оксидаз является аскорбатоксидаза—белок с М = 130000—140000, содержащий 8 атомов Си на молекулу и состоящий из двух равных субъединиц. Она открыта А. Сцент-Дьердьи (1928) и очищена X. Таубером (1938). Уравнение реакции окисления аскорбиновой кислоты приведено на с. 171.

Развитие представлений об оксидоредуктазных системах, участвующих в осуществлении биологического окисления, сопровождалось уточнением их функций, классификации и номенклатуры входящих в их состав ферментов. Напомним (см. с. 117), что те дегидрогеназы, которые обеспечивают непосредственное дегидрирование субстратов, называются первичными. В отличие от них дегидрогеназы, получающие атомы Н от восстановленных коферментов первичных дегидрогеназ (НАДН, НАДФН, ФМН 'Н2, ФАД • Н2 и др.) или от промежуточных акцепторов, на которые были переданы атомы водорода с первичных дегидрогеназ, отнесены к категории вторичных дегидрогеназ. Любые дегидрогеназы (и первичные, и вторичные), передающие атомы водорода на определенные акцепторы, называют редуктазами. Как отмечено ранее, все оксндоредуктазы, переносящие атомы водорода или электроны непосредственно на кислород, называют оксидазами.

В связи с этим было обращено внимание на окислительно-восстановительные системы, в которых между дегидрогеназами и молекулярным кислородом действует посредник. Атомы Н с восстановленной дегидрогеназы сначала поступают на окисленную молекулу посредника, а потом уже с нее—на 02. Обе реакции ускоряют специфическими ферментами. Конечным продуктом

414

реакции является вода. Наиболее часто роль посредников играют хиноны и аскорбиновая кислота. При этом во взаимодействии с посредником участвует только восстановленный кофермент, например НАДН или НАДФН. В случае фенолхиноновой системы схема процесса такова:

деза

Первые данные о существовании совершенно нового пути биологического окисления, не похожего на все изученные ранее, были сообщены Е. Андре и К. Хоу (1932), открывшими в семенах сои особый фермент—липоксидазу. Он ускорял реакцию прямого присоединения атмосферного кислорода по двойным связям полиненасыщенных высших жирных кислот. Применение 1802 и Н2180 для экспериментального изучения аналогичных реакций позволило в 1955 г. одновременно и независимо Г. Мэзону с сотр. и О. Хайаиши с сотр. доказать наличие нового подкласса оксидоредуктаз—оксигеназ и изучить механизмы включения молекулярного кислорода при их посредстве в различные органические молекулы.

Согласно современным данным, липоксигеназа имеет молекулярную массу от 60000 до 100 ООО в зависимости от объекта выделения, распространена не только в растительном, но и в животном мире, существует в виде ряда молекулярных форм. В случае линолевой кислоты реакция идет в соответствии с уравнением:

СН3—(СН2)4—СН=СН—СН2—СН=СН—(СН2)7—соон Линолевая кислота

Липоксигеназа

СН3—(СН2)4—СН—СН=СН —С Н=С Н—(С Н2)7—С ООН ООН

13 -Гидроперокси- цис-9-транс -11-октадек адиенооая кислота

Липоксигеназы принимают участие в биосинтезе простагландинов, лейко-триенов и тромбоксанов из арахидоновой кислоты (см. с. 463).

Новую главу в учении о биологическом окислении составило открытие В. А. Энгельгардтом (1931) сопряжения реакций окисления органических соединений