Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

6.1: Біологічні окислювально-відновні компоненти

  • Page ID
    20301
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    У біології зустрічаються три типи окислювально-відновних (окислювально-відновних) центрів: бічні бічні ланцюги, малі молекули та окислювально-відновні кофактори. Перший клас часто не помічають механістичні ензимологи. Сульфгідрильна група цистеїну легко окислюється, утворюючи димер, відомий як цистин:

    \[2R-SH \xrightarrow[-2H^{+}]{-2e^{-}} R-S-S-R \tag{6.1}\]

    Відомо, що цей тип взаємодії відбувається в декількох окислювально-відновних білках, включаючи ксантиноксидазу, ртутно-іонредуктазу та тіоредоксин. Інші ферментні системи відображають спектральні докази, що вказують на наявність радикала на основі білка принаймні в одному проміжному. Спектроскопія ЕПР забезпечує потужний інструмент у вивченні таких систем; спостереження сигналу g = 2.0, який не можна віднести до домішок або органічного окислювально-відновного кофактора, як правило, вважається доказом для радикала на основі білка. Радикали, локалізовані на тирозин (наприклад, у фотосистемі II та субодиниці В2 рибонуклеотидредуктази 1) та триптофану (наприклад, у дріжджовому цитохромі c пероксидазі 2) були однозначно ідентифіковані за допомогою методів ЕПР разом із зразками білка, що містять ізотопічно марковані амінокислоти кислоти (наприклад, пердейтрований Tyr) або одиночні амінокислотні мутації (наприклад, Trp → Phe).

    Різноманітні дрібні молекули, як органічні, так і неорганічні, можуть функціонувати як окислювально-відновні реагенти в біологічних системах. З них тільки коферменти нікотинаміду і хінону знаходяться по всій біосфері. Нікотинамід аденіндинуклеотид (NAD) та нікотинамід аденіндинуклеотид фосфат (NADP) беруть участь у найрізноманітніших біологічних окислювально-відновних реакціях. 4-позиція піридинового кільця - це реактивна частина обох молекул (рис. 6.1). Обидва, як правило, функціонують як 2-електронні окислювально-відновні реагенти.

    Малюнок 6.1 - Зниження NAD + до НАДГ.

    На відміну від цього, хінони можуть функціонувати як 1-, так і 2-електронні носії:

    \[Q \xrightleftharpoons{e^{-},H^{+}} QH \cdotp \xrightleftharpoons{e^{-},H^{+}} QH_{2} \tag{6.2}\]

    Вільнорадикальні напівхінонові (QH•) проміжні продукти були виявлені за допомогою EPR спектроскопії в деяких перенесеннях електронів. Коензим Q, який також називають убихіноном, оскільки він зустрічається практично у всіх клітині, містить довгий ізопреноїдний хвіст, який дозволяє йому швидко дифузувати через мембрани. Це похідне хінону, яке зустрічається як у вільній, так і в зв'язаній з білками формах, при відновленні називається убихінолом (рис. 6.2). Інші види хінонів рідше зустрічаються в клітині.

    Малюнок 6.2 - Зниження коензиму Q (убихінон) до убихінолу.

    Металопротеїни, що містять один тип окислювально-відновного кофактора, можна розділити на два загальних класи: носії електронів і білки, що беруть участь в транспортуванні або активації малих молекул. Адман 3 визначив деякі фактори, які, здається, характерні для білків переносу електронів (ці білки іноді називають «електронними трансферазами»): (а) володіння відповідним кофактором, який діє як електронний мийник; (б) розміщення кофактора досить близько до поверхні білка до дозволяють електронам рухатися і виходити; (c) існування гідрофобної оболонки, що прилягає до кофактора, але не завжди повністю оточує його; (г) невеликі структурні зміни, що супроводжують перенесення електронів; і (е) архітектура, яка дозволяє невелике розширення або скорочення в бажаних напрямках при перенесенні електронів.

    Білки, які функціонують як електронні трансферази, зазвичай розміщують свої протезні групи в гідрофобному середовищі і можуть забезпечувати водневі зв'язки (крім лігандів), щоб допомогти стабілізувати як окислену, так і відновлену форми кофактора. Метало-лігандні зв'язки залишаються неушкодженими при перенесенні електронів, щоб мінімізувати реорганізацію внутрішньої сфери 4 (розглянуто в розділі III). Багато складних мультисайтових металоферментів (наприклад, цитохром с оксидаза, ксантиноксидаза, білок нітрогенази FeMo) містять окислювально-відновні центри, які функціонують як внутрішньомолекулярні електронні трансферази, переміщуючи електрони в/з інших металевих центрів, які зв'язують екзогенні ліганди під час ферментативного обороту.

    Існує чотири класи 3,5 електронних трансфераз, кожен з яких містить багато членів, що проявляють важливі структурні відмінності: флаводоксини, білки блакитної міді, залізо-сірчані білки та цитохроми.

    Флаводоксини 6 атипові тим, що містять органічний окислювально-відновний кофактор, флавіновий мононуклеотид (FMN; див. Рис. 6.3). Ці білки мають молекулярну масу в діапазоні 8-13 кДа і містяться в багатьох видах бактерій і водоростей. Кофактор FMN знаходиться на одному кінці білка, поблизу молекулярної поверхні, але тільки диметилбензольна частина FMN значно піддається впливу розчинника (рис. 6.4). FMN може виступати як 1- або 2-електронний окислювально-відновний центр. У розчині напівхинонова форма вільної ФМН нестійка, і непропорційна до хінонової (окисленої) і гідрохінонової (відновленої) формам. Отже, вільний FMN функціонує в дії як 2-електронний реагент. FMN у флаводоксини, з іншого боку, може функціонувати як одноелектронний носій. Це легко розпізнати, порівнюючи відновні потенціали для вільного та зв'язаного з білками FMN (табл. 6.1). Зрозуміло, що білкове середовище відповідає за цю різку зміну стабільності окислювального стану. З дослідження ЯМР 7 курсів самообміну електронів M. elsdenii flavodoxin хінон/семіхінон та семіхінон/гідрохінон було зроблено висновок, що останній приблизно в 300 разів швидше, ніж перший, відповідно до думки, що фізіологічно релевантна окислювально-відновна пара є напівхінон/гідрохінон.

    Малюнок 6.3 - Зниження ФМН.
    Рисунок люб'язно надано М.Л. Людвігом.

    Таблиця 6.1 - Зниження потенціалів FMN пар.

    Скорочення: Q, хінон; SQ, семіхінон; HQ, гідрохінон.
    Е°КВ/КВ Е°КВ/ШТАБ
    Безкоштовний FMN -238 мВ -172 мВ
    C.M.P. флаводоксин -92 мВ -399 мВ

    Білки блакитної міді характеризуються інтенсивним поглинанням переносу заряду S (Cys) → Cu поблизу 600 нм, осьовим спектром ЕПР, що демонструє незвично малу константу надтонкої зв'язку та відносно високим потенціалом відновлення. 4,8-10 За деякими винятками (наприклад, фотосинтезуючі організми), їх точні ролі в фізіології бактерій і рослин залишаються незрозумілими. Рентгенівські структури декількох синіх білків міді вказують на те, що геометрія ділянки міді приблизно тригональна плоска, як це ілюструє структура азурину Alcaligenes denitrificans (рис. 6.5). 11,12 У всіх цих білках три ліганди (один Cys, два Його) щільно зв'язуються з міддю в тригональному розташуванні. Відмінності у взаємодіях між центром міді та аксіально розташованими лігандами можуть суттєво сприяти варіаціям потенціалу відновлення, які спостерігаються 12 для електронних трансфераз синьої міді. Наприклад, E°' = 276 мВ для A. denitrificans azurin, тоді як у P. vulgaris plastocyanin становить 360 мВ. У A. denitrificans azurin, Cu-S (Met) зв'язок на 0,2 Å довше, ніж у тополі пластоціанін, і є карбонільний кисень 3.1 Å з мідного центру, порівняно з 3.8 Å в пластоціаніні. Очікується, що ці відмінності в довжині зв'язків стабілізують Cu ll в азурині більшою мірою, ніж у пластоціаніні, і призведуть до нижчого значення Е° для азурину.

    Малюнок 6.5 - Структура синього мідного центру в азурині. 11

    Білки залізо-сірки відіграють важливу роль 13,14 як носії електронів практично у всіх живих організмах, беруть участь у фотосинтезі рослин, фіксації азоту, метаболізмі стероїдів та окислювальному фосфорилуванні, а також у багатьох інших процесах (Глава 7). Оптичні спектри всіх залізо-сірчаних білків дуже широкі і майже безхарактерні, завдяки численним перекриттям переходів заряду-переносу, які надають цим білкам червоно-коричнево-чорні кольори. З іншого боку, ЕПР-спектри залізо-сірчаних кластерів досить характерні, і вони мають велику цінність при вивченні окисно-відновної хімії цих білків.

    Найпростіші залізо-сірчані білки, відомі як рубредоксини, в першу чергу містяться в анаеробних бактеріях, де їх функція невідома. Рубредоксини - це невеликі білки (6 кДа) і містять залізо, перев'язане до чотирьох сірок Cys в спотвореному чотиригранному розташуванні. Значення Е° для пари Fe III/II у воді становить 770 мВ; що C. pasterianum рубредоксину становить -57 мВ. Потенціали відновлення залізо-сірчаних білків, як правило, досить негативні, що свідчить про стабілізацію окисленої форми окислювально-відновної пари в результаті негативно заряджених сірчаних лігандів.

    [2Fe-2S] ферредоксини (10-20 кДа) містяться в рослинних хлоропластах і тканині ссавців. Структура Spirulina platensis ferredoxin 15 підтвердили попередні припущення, засновані на дослідженнях ЕПР і Мессбауера, що атоми заліза присутні в спінових зв'язаних [2Fe-2S] кластерної структури. Одноелектронне відновлення (E°' ~ -420 мВ) білка призводить до змішано-валентного димера (рівняння 6.3):

    \[[Fe_{2}S_{2}(SR)_{4}]^{2-} \xrightleftharpoons[-e^{-}]{+e^{-}} [Fe_{2}S_{2}(SR)_{4}]^{3-} \tag{6.3}\]

    \[Fd_{ox} \qquad \qquad \qquad Fd_{red}\]

    \[2Fe(III) \qquad \qquad Fe(II) + Fe(III)\]

    Додатковий електрон у червоному Fd пов'язаний лише з одним із ділянок заліза, в результаті чого утворюється так звана пастка-валентна структура. 16 [Fe 2 S 2 (SR) 4] 4 - ступінь окислення кластера, що містить два іони заліза, може вироблятися in vitro при використанні сильних відновників.

    Чотири залізні скупчення [4Fe-4S] містяться в багатьох штамах бактерій. У більшості цих бактеріальних залізо-сірчаних білків, також званих ферредоксинами, в білку присутні два таких скупчення. Ці білки мають відновні потенціали в діапазоні -400 мВ і досить малі (6-10 кДа). Кожне з скупчень містить чотири залізні центри і чотири сульфіди в альтернативних кубах спотвореного куба. Кожне залізо узгоджено з трьома сульфідами і одним цистеїном тіолат. Залізи сильно обмінні зв'язані, а скупчення [4Fe-4S] у бактеріальних ферредоксинів є парамагнітним при відновленні на один електрон. Так звані «високопотенційні білки залізосірки» (HIPIPs) знаходяться в фотосинтетичних бактеріях і виявляють аномально високі (~ 350 мВ) відновні потенціали. Структура C. vinosum HiPiP (10 кДа) демонструє, що HiPIPs відрізняються від [4Fe-4S] ферредоксинів, і що знижена структура кластера HiPiP значно спотворюється, як це також спостерігається для структури окисленого ферредоксину P. aerogenes. Крім того, окислений HiPIP є парамагнітним, тоді як відновлений білок є EPR-безшумним.

    Цей дивний набір експериментальних спостережень може бути раціоналізований з точки зору «тристанної» гіпотези (тобто [4Fe-4S (SR) 4] n- кластери існують у трьох фізіологічних станах окислення). 17 Ця гіпотеза добре пояснює відмінності в магнітній поведінці та окислювально-відновних властивостях, що спостерігаються для цих білків залізо-сірки (рівняння 6.4):

    \[[4Fe-4S(SR)_{4}]^{-} \xrightleftharpoons[-e^{-}]{+e^{-}} [4Fe-4S(SR)_{4}]^{2-} \xrightleftharpoons[-e^{-}]{+e^{-}} [4Fe-4S(SR)_{4}]^{3-} \tag{6.4}\]

    \[HiPIP_{ox} \qquad \qquad \qquad HiPIP_{red} \qquad \qquad \qquad Ferredoxin_{red}\]

    \[Ferredoxing_{ox}\]

    Бактеріальні ферредоксини та HIPIPs мають тетракубанні кластери, що містять тіолатні ліганди, але перші використовують окислювально-відновлювально-відновну пару кластерів -2/-3, тоді як останні використовують -1/-2 кластерну окислювально-відновну пару.

    Таким чином, білкове середовище надає потужний вплив на потенціали скорочення кластерів. Це спостереження стосується всіх класів переносів електронів - фактори, які є критичними детермінантами потенціалів відновлення кофактора в даний час погано вивчені, але, як вважають, 18 включають низькі діелектричні константи білкових інтер'єрів (~ 4 для білків проти ~ 78 для Н). 2 О), електростатичні ефекти внаслідок довколишніх заряджених амінокислотних залишків, водневого зв'язку та геометричних обмежень, накладених білком.

    Як клас, цитохроми 19-22 є найбільш ретельно охарактеризованими електронними трансферазами. За визначенням, цитохром містить один або кілька гемових кофакторів. Ці білки були одними з перших, які були ідентифіковані в клітинних екстрактах через їх відмінні оптичні властивості, особливо інтенсивне поглинання в області 410-430 нм (називається смугою Сорета). Цитохроми зазвичай класифікуються на основі типу гема. На малюнку 6.6 показані три найбільш часто зустрічаються типи гема: heme a має довгий фітиловий «хвіст» і знаходиться в цитохромі c оксидазі; Гем b зустрічається в цитохромах і глобінах b-типу; Гем c ковалентно пов'язаний з цитохромами c-типу через два тіоефірні зв'язки. Цитохромна номенклатура представляє справжній виклик! Деякі цитохроми позначаються відповідно до історичного порядку відкриття, наприклад, цитохром c 2 в бактеріальному фотосинтезі. Інші позначаються відповідно до\(\alpha\) діапазону в спектрі поглинання відновленого білка (наприклад, цитохром c 551).\(\lambda_{max}\)

    Малюнок 6.6 - Структури гемов a, b і в.

    Цитохроми с широко поширені в природі. Амблер 23 розділив ці носії електронів на три класи за структурними ознаками. Цитохроми класу I c містять осьові ліганди His і Met, причому хем розташований поблизу N-террнінуса білка. Ці білки кулясті, на що вказує стрічковий малюнок цитохрому з тунця (рис. 6.7). Рентгенівські структури цитохромів класу I з різних еукаріотів і прокаріотів чітко показують еволюційно збережену «цитохромну складку», з краєм гема, що оголюється розчинником. Редукційні потенціали цих цитохромів досить позитивні (від 200 до 320 мВ). Цитохром с ссавців через його відмінну роль в мітохондріальної ланцюзі переносу електронів піде мова далі.

    Малюнок 6. - Будова тунця цитохрому с.

    Цитохроми класу II c (E°' ~ -100 мВ) знаходяться в фотосинтетичних бактеріях, де вони виконують невідому функцію. На відміну від своїх двоюрідних братів I класу, ці цитохроми С-типу є високоспіновими: залізо п'ятикоординатне, з осьовим лігандом Гіса. Ці білки, які зазвичай називають цитохромами c', являють собою чотири\(\alpha\) - спіральні пучки (рис. 6.8). Вільне місце осьової координації закопується в білкову внутрішню частину.

    Малюнок 6.8 - Будова цитохрому c'.

    Нарешті, цитохроми класу III c, також звані цитохромами c 3, містять чотири геми, кожен перев'язаний двома осьовими гістидинами. Ці білки знаходяться в обмеженому класі сульфат-відновлювальних бактерій і можуть бути пов'язані з цитоплазматичною мембраною. Низькомолекулярні маси цитохромів c 3 (~ 14. 7 кДа) вимагають, щоб чотири геми були набагато більш піддані впливу розчинника, ніж геми інших цитохромів (див. Рис. 6.9), які можуть частково відповідати за їх незвично негативні (від -200 до -350 мВ) відновні потенціали. Ці білки мають багато ароматичних залишків і короткі гем-гемові відстані, дві властивості, які можуть бути відповідальними за їх аномально велику твердотільну електропровідність. 24

    Малюнок 6.9 - Будова цитохрому c 3.