Химия и биология белков - Ф. Гауровитц 1953

Белки с ферментативными свойствами
Ферментативный катализ окислительно-восстановительных реакций

В отличие от реакции гидролиза в окислительно-восстановительных реакциях всегда участвуют два субстрата: один из них подвергается окислению, другой — восстановлению. Роль последнего субстрата часто выполняет кислород, который восстанавливается до перекиси водорода и воды.

Первоначально считали, что основная роль в этих процессах принадлежит простетической группе фермента. Предполагалось, что эта группа соединяется одновременно с обоими субстратами, принимая электроны (или атомы водорода) от окисляемого субстрата и перенося их на восстанавливаемый субстрат. Это предположение, однако, не подтвердилось, так как оказалось, что специфичность дегидраз часто определяется их белковым компонентом, а это свидетельствует о том, что, по крайней мере, один из субстратов соединяется с апоферментом [104].

Многие окислительно-восстановительные реакции являются необратимыми. Это в особенности относится к реакциям, в которых восстанавливается кислород, так как для обращения такой реакции (т. е. для образования кислорода из воды) требуются большие затраты энергии. Следует напомнить, что катализаторы не влияют на положение равновесия катализируемой реакции, а только облегчают и ускоряют наступление равновесия. Возьмем в качестве примера реакцию образования воды из водорода и кислорода:

О₂ + 2Н₂ ⇄ 2Н₂О.

Для этой реакции равновесие резко сдвинуто в правую сторону уравнения, и фермент поэтому практически катализирует только прямую реакцию, но не обратную.

Для многих ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции, расшифрована химическая природа их простетических групп. Известно, что некоторые из них содержат в качестве простетической группы металл, который может находиться в различных валентных состояниях, другие — органические молекулы, обладающие способностью переходить из окисленной формы в восстановленную и обратно. Поэтому некоторые авторы считают, что простетическая группа оксидоредуктаз, попеременно окисляясь и восстанавливаясь, переносит этим путем электроны с одного субстрата на другой. Это может быть схематически представлено следующими реакциями:

где DH₂ — донатор водорода и электронов, А — акцептор и Е — фермент. Возможно также, что при этом образуются промежуточные, легко распадающиеся фермент-субстратные комплексы

(DH₂) Е → D (ЕН₂) → (EH₂) А → Е (АН₂).

По мнению автора [105, 106], во многих случаях нет необходимости принимать непременное окисление или восстановление самого фермента; вероятно, фермент катализирует окислительно-восстановительный процесс, не подвергаясь сам действительному окислению и восстановлению [107]. Это можно представить себе таким образом, что Е, принимая атомы водорода, не восстанавливается до ЕН₂, а катализирует реакцию DH₂ + А → D + АН₂, при которой возможно образование следующих промежуточных продуктов [32, 33, 107, 108]:

Согласно этому взгляду, фермент связывает оба субстрата (как донатор, так и акцептор водорода), обеспечивая тем самым сближение этих веществ, необходимое для протекания реакции.

В том случае, когда одним из субстратов является электрон, фермент, присоединяя его, будет действительно восстанавливаться. Если реактивной группой фермента, способной присоединять электрон, служит остаток органической молекулы, то обычно к этой группе присоединяются два электрона и два протона и фермент подвергается таким образом двухвалентному восстановлению. Эта реакция является обратимой, иначе фермент не был бы способен переносить электроны с окисляемого субстрата. Соединение фермента с электроном или с водородом называют, обычно, не фермент-субстратным комплексом, а восстановленным ферментом — дигидроферментом.

Если простетическая группа фермента содержит атом металла, способный присоединять только один электрон, то этот атом будет переходить из окисного состояния в закисное. Так, например, окисное железо или медь превращаются в указанных ферментах соответственно в закись железа и меди. Согласно данным Михаэлиса [109], обратимое восстановление ферментов всегда протекает как одновалентная реакция, даже если фермент присоединяет два или большее число электронов. В этом последнем случае присоединение электронов происходит последовательно, причем промежуточные продукты этого ступенчатого восстановления представляют собой радикалы, о чем свидетельствует их интенсивная Окраска и парамагнитная чувствительность.

Во многих случаях, однако, бывает трудно решить, подвергается ли атом металла металлсодержащих ферментов окислению и восстановлению или же он только связывается с одним из субстратов с образованием фермент-субстратного комплекса. Правда, различие между этими двумя реакциями не очень велико, как показывают следующие формулы:

где — реактивный трехвалентный атом железа железо содержащего фермента, а (: D) — донатор электрона.

В формуле (I) субстрат соединен с трехвалентным атомом железа, образуя комплекс, в формуле (II) — трехвалентное железо присоединяет один электрон, образуя двухвалентное железо и радикал (• D). Легко можно представить себе существование промежуточных форм между (I) и (II), например Fe (• D) или Fe⁺ • (• D). В этих комплексах атом железа не является ни двухвалентным ни трехвалентным, а обладает промежуточной валентностью [106]. Идея о существовании промежуточной валентности была выдвинута Паулингом [111] для объяснения некоторых свойств металлов. По аналогии можно предположить, что во время каталитического действия ферментов также имеет место подобное состояние атомов металла.

В последующих разделах будут рассмотрены лишь те окислительно-восстановительные ферменты, которые получены в более или менее очищенном состоянии и природа простетической группы которых установлена; классификация этих ферментов основана поэтому на химической природе их простетических групп.