Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
308
ции, катализируемые моно- и диоксигеназами, в которых имеет место прямое включение кислорода в молекулу окисляемого вещества, а также реакции, катализируемые некоторыми оксидазами.
Ферментативное поглощение кислорода, сопряженное с запасанием энергии, подразделяется на процессы, сопровождающиеся фосфорили-рованием, и процессы, не связанные с фосфорилированием. В последнем случае окисление, сопряженное с запасанием энергии, не связано с трансформированием свободной энергии в форму макроэргических фосфатных связей. Известно, что в клетке существуют две универсальные формы энергии: химическая и электрохимическая (A(IH+). Один из путей получения энергии в форме трансмембранного электрохимического градиента H+ связан с переносом электронов на молекулярный кислород. Энергия в этой форме может использоваться клеткой для совершения разного вида работы (см. рис. 27). Химическая энергия заключена в основном в соединениях, содержащих макроэргические фосфатные связи, и в первую очередь в молекулах АТФ. Но на промежуточных этапах катаболических процессов, связанных в конечном итоге с поглощением O2, образуются метаболиты, содержащие богатые энергией связи, например тиоэфирные (С~ S-KoA). Эти соединения могут непосредственно обеспечивать энергией некоторые биосинтетические процессы.
Наконец, при фосфорилирующем окислении энергия, высвобождаемая при электронном транспорте на молекулярный кислород и возникающая первоначально в форме Д|1н+,с помощью протонной АТФ-синтетазы трансформируется в химическую форму в молекулах АТФ. В отличие от высших организмов, где достигнута высокая степень сопряжения между переносом электронов и фосфорилированием, т. е. этот путь предстает уже в сложившемся виде, у современных прокариот мы обнаруживаем различные пути переноса электронов и разные степени сопряжения электронного транспорта с фосфорилированием.
Все перечисленные типы окислительных процессов с участием молекулярного кислорода, протекающие в высокоорганизованной клетке, обнаруживаются и у прокариот.
В основу классификации, предложенной В. П. Скулачевым, положено рассмотрение всех реакций взаимодействия клетки с молекулярным кислородом под углом зрения их «энергетической значимости» для клетки. По химическим механизмам, лежащим в основе этих реакций, все они могут быть разделены на три группы. К первой группе относятся реакции, катализируемые кислородными трансферазами, или диоксигеназами, в которых имеет место прямое присоединение молекулы кислорода к молекуле метаболита:
AH-O2-^AO2.
Одна молекула субстрата может акцептировать оба атома молекулы кислорода, как это имеет место в приведенной выше реакции. Примером диоксигеназы такого рода служит катехол-1,2-оксигеназа, катализирующая окисление катехола (рис. 99). Акцепторами O2 могут быть молекулы двух разных субстратов:
Х+У+О^ХО+УО.
Например:
а-кетоглутаровая кислота + O2 + X янтарная кислота + CO2 + XO .
309
с—он
+ о.,
с—он
Катехол
Муконовая кислота
Рис. 99. Окисление катехола
Наконец, для каталитической активности некоторые диоксигеназы требуют НАД (Ф) •H2 в качестве донора электронов:
Х + 02 + НАД-Н2
X
-ОН
_он + НАД
+
Все подобные реакции представляют собой свободное окисление и не связаны с получением клеткой энергии.
Вторую группу составляют реакции, в которых электроны идут к кислороду, выполняющему функцию конечного акцептора. В этом случае 1, 2 или 4 электрона в зависимости от природы переносчика акцептируются молекулой кислорода, что приводит в конечном итоге к ее неполному (OJ~,H202) или полному (H2O) восстановлению. Реакции данного типа катализируются ферментами, называемыми оксидазами,, и могут представлять собой свободное окисление и окисление, сопряженное с запасанием энергии.
К реакциям свободного окисления относятся все реакции, катализируемые растворимыми оксидазами, локализованными в цитозоле клетки. Помимо них у прокариот описан ряд связанных с мембранами оксидаз цитохромной и нецитохромной природы, перенос электронов с которых на O2 также не сопряжен с запасанием энергии.
Промежуточными по химическому механизму реакциями между приведенными выше являются реакции, в которых судьба каждого из двух атомов в молекуле кислорода различна:
А + O2 + ДН2 АО + H2O + Д.
B этом случае 1 атом поглощенной молекулы кислорода используется для окисления вещества путем прямого присоединения к нему, а другой восстанавливается до H2O в присутствии подходящего донора электронов. Обе реакции катализируются одним ферментом, принадлежащим к группе монооксигеназ, или оксигеназ (оксидаз) со смешанными функциями. Монооксигеназы в клетке многочисленны и разнообразны.
Они катализируют реакции свободного окисления. Участие в процессах, сопряженных с запасанием клеткой энергии, маловероятно.
Таким образом, оксигеназы — это ферменты, катализирующие активирование O2 и последующее включение 1 или 2 его атомов в молекулы различных субстратов. Если субстратом (акцептором O2) служит водород, фермент называют оксидазой. B этом смысле оксидазы можно рассматривать как специализированный класс оксигеназ.
