Транспорт высокоэнергетических электронов и протонов от окисляемого субстрата на кислород осуществляет система, состоящая из окислительно-восстановительных ферментов, локализованная на внутренней мембране митохондрий. В состав этой системы входят:
Пиридиновые дегидрогеназы, у которых в качестве коферментов выступают НАД (никотинамидадениндинуклеотид) или НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат);
Флавиновые дегидрогеназы (флавиновые ферменты), роль небелковой части у которых выполняют ФАД (флавинадениндинуклеотид) или ФМН (флавинмононуклеотид);
Убихинон (кофермент Q);
Цитохромы.
Пиридиновые дегидрогеназы . Строение НАД и НАДФ представлено на рис. 4.
Никотинамидаденин- Никотинамидаденинди-
динуклеотид (НАД) нуклеотидфосфат (НАДФ)
Рис. 4. Строение НАД и НАДФ
НАД и НАДФ являются динуклеотидами, нуклеотиды которых связаны пирофосфатной связью (через два соединенных между собой остатка фосфорной кислоты). В состав одного нуклеотида входит амид никотиновой кислоты (витамин РР), другой нуклеотид представлен адениловой кислотой. В молекуле НАДФ имеется дополнительный остаток фосфорной кислоты, присоединенный ко второму углеродному атому рибозы, связанной с адениловой кислотой.
НАД и НАДФ являются коферментами большого числа специфических для разных субстратов окисления дегидрогеназ. Связь между ними и белковой частью непрочная, они объединяются только непосредственно в момент реакции.
Некоторые пиридиновые дегидрогеназы локализованы в матриксе митохондрий. НАД-зависимые дегидрогеназы передают электроны и протоны в дыхательную цепь, НАДФ-зависимые дегидрогеназы служат источником восстановительных эквивалентов для реакций биосинтеза
Активной частью НАД и НАДФ является витамин РР. При взаимодействии с восстановленным субстратом пиридиновое кольцо витамина РР связывает два электрона и протон, второй протон остается в среде (рис. 5).
Рис. 5. Окисление субстрата пиридиновыми дегидрогеназами
Флавиновые ферменты. В отличие от НАД и НАДФ, простетические группы флавиновых ферментов (ФАД и ФМН) прочно связаны с белковой частью. Обе простетические группы содержат метаболически активную форму рибофлавина (витамина В 2), к которой в процессе их восстановления присоединяются атомы водорода (рис.6).
Рис. 6. Окисление субстратов активной частью (витамин В 2) простетической группы флавиновых ферментов
ФМН-зависимая дегидрогеназа выполняет роль промежуточного переносчика электронов и протонов между НАД и убихиноном, т.е. является непосредственным участником дыхательной цепи.
Убихинон (кофермент Q).
Убихинон является производным бензохинона с длинной боковой цепью. Его строение представлено на рис.7. 
Рис. 7. Строение кофермента Q (убихинона)
Кофермент Q играет роль промежуточного переносчика электронов и протонов в дыхательной цепи, непосредственно окисляя флавиновые ферменты. Место присоединения протонов и электронов – атомы кислорода в кольце бензохинона (рис. 8):
Рис. 8. Механизм переноса протонов молекулой кофермента Q (убихина)
Цитохромы. Цитохромы относятся к классу хромопротеинов. В их состав входит железосодержащий гем, по своему строению аналогичный гему гемоглобина. Различные цитохромы отличаются строением боковых цепей в структуре гема, структурой белковых компонентов, способом соединения гема с белковым компонентом. Функция цитохромов связана с переносом электронов от убихинона к кислороду. Они локализованы в дыхательной цепи в определенной последовательности:
Цит.b →цит.с 1 → цит.с → цит.аа 3
Цитохромы b, с 1 и с выполняют функцию промежуточных переносчиков электронов, а комплекс цитохромов а и а 3 , называемый цитохромоксидазой, является терминальным дыхательным ферментом, непосредственно взаимодействующим с кислородом. Этот комплекс состоит из шести субъединиц, каждая из которых содержит геминовую группу и атом меди. Две субъединицы из шести составляют цитохром а, а остальные четыре образуют цитохром а 3.
Перенос цитохромами электронов непосредственно связан с присутствием в их составе ионов железа. Окисленная форма цитохромов содержит Fе 3+ . Принимая электроны от убихинона или другого цитохрома, Fe 3+ переходит в восстановленное состояние (Fе 2+), а передавая электроны другому цитохрому или кислороду, Fe 2+ вновь переходит в окисленное состояние (F 3+).
Кислород, принимая электроны от цитохромоксидазы, переходит в активное (ионизированное) состояние, затем принимает два протона из окружающей среды. В результате образуется молекула воды.
Схематично систему переноса электронов и протонов по дыхательной цепи можно представить следующим образом (рис. 9):
Рис. 9. Последовательность расположения переносчиков электронов и протонов в дыхательной цепи
Фермент Белковая часть (апофермент) Небелковая часть (кофактор) неорганический ион коферменты простетические группы апофермент + кофактор = голофермент
Роль кофакторов могут играть различные вещества - от простых неорганических ионов до сложных органических молекул; в одних случаях они остаются неизменными в конце реакции, в других - регенерируют в результате того или иного последующего процесса.
Если кофактор представлен в виде органической молекулы (некоторые из таких молекул близки к витаминам), то последняя может быть прочно связана с ферментом (в этом случае ее называют простетической группой) или слабо с ним связана (и тогда ее называют коферментом).
Неорганические ионы (активаторы ферментов)
Ионы заставляют молекулы фермента или субстрата принять форму, способствующую образованию E-S-комплекса. Тем самым увеличиваются шансы на то, что фермент и субстрат действительно прореагируют друг с другом, а следовательно, возрастает и скорость реакции, катализируемой данным ферментом.
Пример. Активность амилазы слюны повышается в присутствии хлорид-ионов.
Простетические группы (фад, фмн, биотин, гем)
Данная органическая молекула занимает такое положение, в котором она может эффективно содействовать каталитической функции своего фермента.
Пример 1. Флавинадениндинуклеотид (ФАД) содержит рибофлавин (витамин B 2), который является водород акцепторной частью его молекулы. Функция ФАД связана с окислительными путями клетки, в частности с процессом дыхания, в котором ФАД играет роль одного из переносчиков в дыхательной цепи:
Конечный результат: 2H переносятся к A и B. В качестве связующего звена между A и B действует голофермент.
Рис. 8 Витамин как компонент простетической группы (представлена структура ФАД - флавинаденин динуклеотид).
Пример 2. Гем - это железосодержащая простетическая группа. Его молекула имеет форму плоского кольца, в в центре которого находится атом железа (порфириновое кольцо, такое же, как у хлорофилла). Гем выполняет в организме ряд биологически важных функций. Перенос электронов. В качестве простетической группы цитохромов гем выступает как переносчик электронов. Присоединяя электроны, железо восстанавливается до Fe(II), а отдавая их, окисляется до Fe(III). Гем, следовательно, принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях за счет обратимых изменений валентности железа. Перенос кислорода. Гемоглобин и миоглобин - два гемсодержащих белка, осуществляющих перенос кислорода. Железо находится в них в восстановленной форме. Каталитическая функция. Гем входит в состав каталаз и пероксидаз, катализирующих расщепление перекиси водорода и воды.
Коферменты (над, надф, кофермент а, атф)
Пример. Никотинамидадениндинуклеотид (НАД), производная никотиновой кислоты, может существовать как в окислительной, так и в восстановительной форме. В окислительной форме НАД при катализе играет роль акцептора водорода:
Здесь E 1 и E 2 - две различные дегидрогеназы. Конечный результат: 2H переносятся от A к B. Здесь в качестве связующего звена между двумя различными ферментными системами E 1 и E 2 действует кофермент.
Рис. 9 Витамин как компонент кофермента (представлены структуры НАД, НАДФ и АТФ).
— синтез органических веществ из углекислого газа и воды с обязательным использованием энергии света:
6СО 2 + 6Н 2 О + Q света → С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .
У высших растений органом фотосинтеза является лист, органоидами фотосинтеза — хлоропласты (строение хлоропластов — лекция №7). В мембраны тилакоидов хлоропластов встроены фотосинтетические пигменты: хлорофиллы и каротиноиды. Существует несколько разных типов хлорофилла (a, b, c, d ), главным является хлорофилл a . В молекуле хлорофилла можно выделить порфириновую «головку» с атомом магния в центре и фитольный «хвост». Порфириновая «головка» представляет собой плоскую структуру, является гидрофильной и поэтому лежит на той поверхности мембраны, которая обращена к водной среде стромы. Фитольный «хвост» — гидрофобный и за счет этого удерживает молекулу хлорофилла в мембране.
Хлорофиллы поглощают красный и сине-фиолетовый свет, отражают зеленый и поэтому придают растениям характерную зеленую окраску. Молекулы хлорофилла в мембранах тилакоидов организованы в фотосистемы . У растений и синезеленых водорослей имеются фотосистема-1 и фотосистема-2, у фотосинтезирующих бактерий — фотосистема-1. Только фотосистема-2 может разлагать воду с выделением кислорода и отбирать электроны у водорода воды.
Фотосинтез — сложный многоступенчатый процесс; реакции фотосинтеза подразделяют на две группы: реакции световой фазы и реакции темновой фазы .
Световая фаза
Эта фаза происходит только в присутствии света в мембранах тилакоидов при участии хлорофилла, белков-переносчиков электронов и фермента — АТФ-синтетазы. Под действием кванта света электроны хлорофилла возбуждаются, покидают молекулу и попадают на внешнюю сторону мембраны тилакоида, которая в итоге заряжается отрицательно. Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, отбирая электроны у воды, находящейся во внутритилакоидном пространстве. Это приводит к распаду или фотолизу воды:
Н 2 О + Q света → Н + + ОН — .
Ионы гидроксила отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы.ОН:
ОН — → .ОН + е — .
Радикалы.ОН объединяются, образуя воду и свободный кислород:
4НО. → 2Н 2 О + О 2 .
Кислород при этом удаляется во внешнюю среду, а протоны накапливаются внутри тилакоида в «протонном резервуаре». В результате мембрана тилакоида с одной стороны за счет Н + заряжается положительно, с другой за счет электронов — отрицательно. Когда разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны тилакоида достигает 200 мВ, протоны проталкиваются через каналы АТФ-синтетазы и происходит фосфорилирование АДФ до АТФ; атомарный водород идет на восстановление специфического переносчика НАДФ + (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) до НАДФ·Н 2:
2Н + + 2е — + НАДФ → НАДФ·Н 2 .
Таким образом, в световую фазу происходит фотолиз воды, который сопровождается тремя важнейшими процессами: 1) синтезом АТФ; 2) образованием НАДФ·Н 2 ; 3) образованием кислорода. Кислород диффундирует в атмосферу, АТФ и НАДФ·Н 2 транспортируются в строму хлоропласта и участвуют в процессах темновой фазы.
1 — строма хлоропласта; 2 — тилакоид граны.
Темновая фаза
Эта фаза протекает в строме хлоропласта. Для ее реакций не нужна энергия света, поэтому они происходят не только на свету, но и в темноте. Реакции темновой фазы представляют собой цепочку последовательных преобразований углекислого газа (поступает из воздуха), приводящую к образованию глюкозы и других органических веществ.
Первая реакция в этой цепочке — фиксация углекислого газа; акцептором углекислого газа является пятиуглеродный сахар рибулозобифосфат (РиБФ); катализирует реакцию фермент рибулозобифосфат-карбоксилаза (РиБФ-карбоксилаза). В результате карбоксилирования рибулозобисфосфата образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Затем происходит цикл реакций, в которых через ряд промежуточных продуктов фосфоглицериновая кислота преобразуется в глюкозу. В этих реакциях используются энергии АТФ и НАДФ·Н 2 , образованных в световую фазу; цикл этих реакций получил название «цикл Кальвина»:
6СО 2 + 24Н + + АТФ → С 6 Н 12 О 6 + 6Н 2 О.
Кроме глюкозы, в процессе фотосинтеза образуются другие мономеры сложных органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты, нуклеотиды. В настоящее время различают два типа фотосинтеза: С 3 - и С 4 -фотосинтез.
С 3 -фотосинтез
Это тип фотосинтеза, при котором первым продуктом являются трехуглеродные (С 3) соединения. С 3 -фотосинтез был открыт раньше С 4 -фотосинтеза (М. Кальвин). Именно С 3 -фотосинтез описан выше, в рубрике «Темновая фаза». Характерные особенности С 3 -фотосинтеза: 1) акцептором углекислого газа является РиБФ, 2) реакцию карбоксилирования РиБФ катализирует РиБФ-карбоксилаза, 3) в результате карбоксилирования РиБФ образуется шестиуглеродное соединение, которое распадается на две ФГК. ФГК восстанавливается до триозофосфатов (ТФ). Часть ТФ идет на регенерацию РиБФ, часть превращается в глюкозу.
1 — хлоропласт; 2 — пероксисома; 3 — митохондрия.
Это светозависимое поглощение кислорода и выделение углекислого газа. Еще в начале прошлого века было установлено, что кислород подавляет фотосинтез. Как оказалось, для РиБФ-карбоксилазы субстратом может быть не только углекислый газ, но и кислород:
О 2 + РиБФ → фосфогликолат (2С) + ФГК (3С).
Фермент при этом называется РиБФ-оксигеназой. Кислород является конкурентным ингибитором фиксации углекислого газа. Фосфатная группа отщепляется, и фосфогликолат становится гликолатом, который растение должно утилизировать. Он поступает в пероксисомы, где окисляется до глицина. Глицин поступает в митохондрии, где окисляется до серина, при этом происходит потеря уже фиксированного углерода в виде СО 2 . В итоге две молекулы гликолата (2С + 2С) превращаются в одну ФГК (3С) и СО 2 . Фотодыхание приводит к понижению урожайности С 3 -растений на 30-40% (С 3 -растения — растения, для которых характерен С 3 -фотосинтез).
С 4 -фотосинтез — фотосинтез, при котором первым продуктом являются четырехуглеродные (С 4) соединения. В 1965 году было установлено, что у некоторых растений (сахарный тростник, кукуруза, сорго, просо) первыми продуктами фотосинтеза являются четырехуглеродные кислоты. Такие растения назвали С 4 -растениями . В 1966 году австралийские ученые Хэтч и Слэк показали, что у С 4 -растений практически отсутствует фотодыхание и они гораздо эффективнее поглощают углекислый газ. Путь превращений углерода в С 4 -растениях стали называть путем Хэтча-Слэка .
Для С 4 -растений характерно особое анатомическое строение листа. Все проводящие пучки окружены двойным слоем клеток: наружный — клетки мезофилла, внутренний — клетки обкладки. Углекислый газ фиксируется в цитоплазме клеток мезофилла, акцептор — фосфоенолпируват (ФЕП, 3С), в результате карбоксилирования ФЕП образуется оксалоацетат (4С). Процесс катализируется ФЕП-карбоксилазой . В отличие от РиБФ-карбоксилазы ФЕП-карбоксилаза обладает большим сродством к СО 2 и, самое главное, не взаимодействует с О 2 . В хлоропластах мезофилла много гран, где активно идут реакции световой фазы. В хлоропластах клеток обкладки идут реакции темновой фазы.
Оксалоацетат (4С) превращается в малат, который через плазмодесмы транспортируется в клетки обкладки. Здесь он декарбоксилируется и дегидрируется с образованием пирувата, СО 2 и НАДФ·Н 2 .
Пируват возвращается в клетки мезофилла и регенерирует за счет энергии АТФ в ФЕП. СО 2 вновь фиксируется РиБФ-карбоксилазой с образованием ФГК. Регенерация ФЕП требует энергии АТФ, поэтому нужно почти вдвое больше энергии, чем при С 3 -фотосинтезе.
Значение фотосинтеза
Благодаря фотосинтезу, ежегодно из атмосферы поглощаются миллиарды тонн углекислого газа, выделяются миллиарды тонн кислорода; фотосинтез является основным источником образования органических веществ. Из кислорода образуется озоновый слой, защищающий живые организмы от коротковолновой ультрафиолетовой радиации.
При фотосинтезе зеленый лист использует лишь около 1% падающей на него солнечной энергии, продуктивность составляет около 1 г органического вещества на 1 м 2 поверхности в час.
Хемосинтез
Синтез органических соединений из углекислого газа и воды, осуществляемый не за счет энергии света, а за счет энергии окисления неорганических веществ, называется хемосинтезом . К хемосинтезирующим организмам относятся некоторые виды бактерий.
Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты (NH 3 → HNO 2 → HNO 3).
Железобактерии превращают закисное железо в окисное (Fe 2+ → Fe 3+).
Серобактерии окисляют сероводород до серы или серной кислоты (H 2 S + ½O 2 → S + H 2 O, H 2 S + 2O 2 → H 2 SO 4).
В результате реакций окисления неорганических веществ выделяется энергия, которая запасается бактериями в форме макроэргических связей АТФ. АТФ используется для синтеза органических веществ, который проходит аналогично реакциям темновой фазы фотосинтеза.
Хемосинтезирующие бактерии способствуют накоплению в почве минеральных веществ, улучшают плодородие почвы, способствуют очистке сточных вод и др.
Перейти к лекции №11 «Понятие об обмене веществ. Биосинтез белков»
Перейти к лекции №13 «Способы деления эукариотических клеток: митоз, мейоз, амитоз»
НАДН – основа энергии и жизни
В обычном смысле биологическую жизнь можно определить как способность генерировать энергию внутри клетки. Эта энергия – макроэргические фосфатные связи химических веществ, синтезируемые в организме. Наиболее важными макроэргическими соединениями являются аденозинтрифосфат (АТФ), гуанозинтрифосфат (ГТФ), креатинфосфорная кислота, никотинамиддинуклеотид фосфат (НАД(Н) и НАДФ(Н)), фосфорилированные углеводы.
Никотинамид-аденин-динуклеотид (НАДН, NADН) – кофермент, присутствующий во всех живых клетках, входит в состав ферментов группы дегидрогеназ, катализирующих окислительно-восстановительные реакции; выполняет функцию переносчика электронов и водорода, которые принимает от окисляемых веществ. Восстановленная форма (NADH) способна переносить их на другие вещества.
Как повысить работоспособность
Что такое NADH? Многие её называют “аббревиатурой жизни”. И это действительно так. NADH (коэнзим никотинамидадениндинуклеотид) содержится во всех живых клетках и является жизненно необходимым элементом, при помощи которого внутри клеток вырабатывается энергия. NADH участвует в выработке АТФ (АТР). НАД(Н), как универсальная молекула энергии, в отличие от АТФ, постоянно может разгружать митохондрии от избыточного накопления лактата в сторону образования из него пирувата, за счёт стимуляции пируватдегидрогеназного комплекса, который чувствительный именно к отношению НАД(Н)/НАД.
Синдром хронической усталости: фокус на митохондрии
Ряд клинических исследований показал эффективность препаратов НАДН при СХУ. Суточная доза составляла обычно 50 мг. Наиболее сильный эффект наступал после 2-4 недель лечения. Утомляемость снижалась на 37-52 %. Кроме того, улучшался такой объективный когнитивный параметр, как концентрация внимания.
НАДН в лечении синдрома хронической усталости
НАДН (кофермент витамина В3), присутствующий во всех живых клетках, входит в состав ферментов группы дегидрогеназ, катализирующих окислительно-восстановительные реакции; выполняет функцию переносчика электронов и водорода, которые принимает от окисляемых веществ. Является резервным источником энергии в клетках. Он принимает участие практически во всех реакциях образования энергии, обеспечивая дыхание клеток. Воздействуя на соответствующие процессы в мозгу ко-фермент витамина В3, может предупреждать гибель нервных клеток при гипоксии или возрастных изменениях. Принимает участие в процессах детоксикации в печени. В последнее время установлено его свойство блокировать лактатдегидрогеназу и, тем самым, ограничивать ишемическое и/или гипоксическое повреждение миокарада. Исследования эффективности орального применения при лечении синдрома хронической усталости подтвердили его активизирующее влияние на состояние людей.
НАДН в спорте и медицине: обзор иностранной литературы
О НАДН (никотинамидадениндинуклеотидфосфате) мы писали в предыдущих статьях. Сейчас мы хотим предоставить информацию с англоязычных источников, о роли и значении этого вещества в обмене энергии в организме, его влиянии на нервную систему, и роли в развитии ряда патологических ситуаций и перспективах применения в медицине и спорте. (Скачать монографию о НАДН).
Herbalife Quickspark CoEnzyme 1 (NADH) ATP Energy
Natural Energy at a Cellular Level
Quickspark is a product of the company Herbalife. It is a stable form of Vitamin B3 CoEnzyme1. CoEnzyme1 was found in 1906 in Austria by a scientist called Professor George Birkmayer. CoEnzyme1 was developed for medical purposes and used in the second world war.
NADH (Enada)
Nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) is a substance that helps the functionality of enzymes in the body. NADH plays a role in the production of energy and helps produce L-dopa, which the body turns into the neurotransmitter dopamine. NADH is being evaluated for many conditions and may be helpful for enhancing mental functionality and memory.
Недостаточное содержание в пище никотиновой кислоты (рис. 10-6) вызывает у людей заболевание, которое называется пеллагрой (от итальянского слова, означающего «шершавая кожа»). Пеллагра распространена во многих районах мира, где люди питаются в основном кукурузой и едят мало мяса, молока и яиц. В целях профилактики и лечения пеллагры можно использовать как никотиновую кислоту, так и ее амидникотинамид. Чтобы кому-нибудь не пришла в голову мысль о возможности употребления в пищу табака как источника этого витамина, никотиновой кислоте было дано другое (условное) название - ниацин.
Никотинамид-компонент двух близких по структуре коферментов-никотинамидадениндинуклеотида (NAD) и никотинамидадениндинуклеотид фосфата (NADP). Строение этих коферментов показано на рис. 10-6. NADP отличается от NAD наличием в молекуле фосфатной группы. Эти коферменты могут находиться как в окисленной так и в восстановленной (NADH и NADPH) формах. Никотинамидный компонент этих коферментов играет роль промежуточного переносчика гидрид-иона, который ферментативно отщепляется от молекулы субстрата под действием специфических дегидрогеназ (рис. 10-7). В качестве примера можно привести реакцию, катализируемую малатдегидрогеназой, которая дегидрирует малат, превращая его в оксалоацетат; эта реакция представляет собой один из этапов окисления углеводов и жирных кислот. Малатдегидрогеназа катализирует также обратимый перенос гидрид-иона от малата к в результате чего образуется NADH; второй атом водорода отщепляется от гидроксильной группы молекулы малата в виде свободного иона
Известно большое число дегидрогеназ такого типа, из которых каждая обладает специфичностью по отношению к какому-нибудь определенному субстрату. Одни из этих ферментов используют в качестве кофермента другие - а третьи могут функционировать с любым из этих двух коферментов.
Рис. 10-7. Общее уравнение, показывающее, как действует в качестве кофермента в реакциях ферментативного дегидрирования. Молекула субстрата и продукты реакции выделены красным цветом. Изображена только иикотинамидная часть молекулы остальная же ее часть обозначена буквой R.
У большинства дегидрогеназ NAD (или NADP) связывается с белковой частью фермента только во время каталитического цикла, однако известны и такие ферменты, с которыми эти коферменты связаны очень прочно и постоянно присутствуют в активном центре.
