ДИХАЛЬНІ ФЕРМЕНТИ - ферменти, що беруть участь в перенесенні електронів від органічних субстратів до кисню; є найважливішою ланкою процесу перетворення енергії в біологічних системах; величина активності деяких з цих ферментів в сироватці крові служить додатковим діагностичним тестом при ряді захворювань. Д. ф. є одними з головних дихальних пігментів (див.).
Залежно від хім. природи кофакторов Д. ф. або їх простетичної груп Д. ф. підрозділяються на три основні класи: 1) пірідінзавісімие дегідрогенази (див.), коферментами яких є НАД або НАДФ (див. Коферменти); 2) флавіновие дегідрогенази, що містять в якості простетичної груп флавинмононуклеотид (ФМН) або ФАД (див. Флавопротеїдів); 3) Цитохроми (див.), Простетичної групами яких є железопорфіріна.
Ці Д. ф. складають складну багатокомпонентну мембранну систему, звану дихальної ланцюгом.
До числа піридин-залежних дегідрогеназ відноситься св. 150 ферментів, які каталізують відновлення НАД і НАДФ різними органічними субстратами (див. Окислення біологічне). При цьому відбувається перенесення одного атома водню у вигляді гидридного іона (H -) в положення 4 порфіринового кільця піридиннуклеотидів. Інший атом водню відщеплюється від молекули субстрату у вигляді протона (H +). При ферментативному відновленні піридиннуклеотидів, на відміну від звичайного хім. відновлення, приєднання атома водню відбувається стереоспецифічні, т. е. з однієї певної сторони пиридинового кільця. Окислені піридиннуклеотидів мають в спектрі інтенсивну смугу поглинання при 260 нм. При їх відновленні з'являється максимум поглинання при 340 нм і знижується інтенсивність смуги при 260 нм. Це властивість НАД (Ф) -залежних дегидрогеназ лежить в основі багатьох методів кількісного визначення їх активності (див. Дегідрогенази).
НАД-залежні дегідрогенази беруть участь переважно в процесах дихання, пов'язаних з перенесенням електронів від органічних субстратів до кисню і акумуляцією енергії, а НАДФ-залежні дегідрогенази грають істотну роль в відновних реакціях біосинтезу. Відповідно до цього НАД і НАДФ розрізняються по своїй внутрішньоклітинної локалізації: НАД концентрується гл. обр. в мітохондріях, а велика частина НАДФ знаходиться поза мітохондрій. Піридин-залежні дегідрогенази, як правило, слабо пов'язані з мембранами і легко солюбілізіруются (див. Солюбілізація).
Флавіновие дегідрогенази (їх налічується бл. 30) здійснюють перенесення електронів від відновлених НАД, НАДФ і деяких інших органічних субстратів на цитохромними систему. Це перенесення зазвичай здійснюється проміжними переносниками, здатними служити акцепторами для флавопротеїдів, напр, убіхінон. Відновлені флавопротеиди (див.) Легко окислюються також рядом штучних електронних акцепторів (феррицианида, феназінметосульфат і ін.). Деякі флавіновие ферменти (альдегідоксидазою, ксантиноксидаза) можуть безпосередньо відновлювати молекулярний кисень з утворенням H2 O2. Завдяки ФМН і ФАД, що має в окисленні стані смугу поглинання при 450 нм, флавопротеиди пофарбовані в жовтий колір, тому вони були названі О. Варбург, жовтими ферментами.
Активною частиною флавіннуклеотідов є ізоаллоксазіновое кільце рибофлавіну, до атомів азоту догрого можуть приєднатися два атома водню при відповідній перегрупування подвійних зв'язків. При відновленні флавіннуклеотідов в їх спектрі зникає смуга поглинання при 450 нм. Флавопротеиди зазвичай акцептують пару електронів від окисляемого субстрату не одночасно, а в дві стадії з утворенням проміжних полувосстановленних вільнорадикальних форм (флавосеміхінони), які можуть бути виявлені методом ЕПР - електронного парамагнітного резонансу (див.). При взаємодії з двохелектронними акцепторами (хинонами) флавіновие Д. ф. можуть відновлювати їх по одноелектронного (НАД • H-дегидрогеназа; КФ 1.6.99.3) або двухелектронних (мітохондріальна НАДФ • H-дегидрогеназа; КФ 1.6.99.2) механізму Ямадзаки (J. Yamazaki). Ксантиноксидаза (КФ 1.2.3.2) може каталізувати як одно-, так і двухелектронних відновлення.
Багато з флавинових Д. ф. є складними олігомерними утвореннями, які складаються з декількох білкових субодиниць і містять, крім флавіннуклеотідов, також атоми металів (негеміновое залізо, молібден), що беруть участь поряд з ФМН і ФАД в перенесенні електронів через флавопротеиди. Деякі флавіновие Д. ф. напр. НАД • H- і сукцинатдегідрогенази мітохондрій, НАДФ • H-дегидрогеназа мікросом, міцно пов'язані з мембранами. В області НАД • H-дегідрогеназнго ділянки дихального ланцюга мітохондрій локалізовано один з пунктів сполучення між диханням і фосфорилюванням (див.).
Перенесення електронів від флавопротеїдів до молекулярного кисню здійснюється за допомогою системи цитохромів - гемсодержащих білків з характерними спектрами поглинання в окисленому і відновленому станах. Цитохромоксидази (КФ 1.9.3.1; цитохром а + a3) в мітохондріях і цитохром Р-450 в ендоплазматичний мембранах (микросомах) є термінальними Д. ф. безпосередньо взаємодіють з киснем. Цитохроми b, c1 і з в мітохондріях і цитохром b5 в мікросомах виконують функцію проміжних переносників. Цитохром з легко солюбілізіруется, в той час як інші з перерахованих цитохромов міцно пов'язані з мембранами.
Гемовие групи всіх цитохромов, що утворюють дихальний ланцюг, не можуть безпосередньо контактувати один з одним, і питання про те, як відбувається перенос електронів між молекулами цитохромов, повністю не з'ясований. Один з можливих механізмів такого перенесення полягає в передачі електронів по білкової частини молекули цитохромів за рахунок перекриваються пі-електронних хмар ароматичних амінокислотних залишків. Крім того, перенесення електронів між гемов групами, які перебувають на недо-ром відстані один від одного, може здійснюватися за типом тунельних переходів.
Важливою властивістю цитохромов як Д. ф. є здатність деяких амінокислотних залишків (найчастіше гистидина і тирозину) білкової частини їх молекули міняти значення свого рК (константи асоціації з протонами) при зміні електронного стану гема. Завдяки цьому окислювання та своєчасне відновлення гема можуть приводити до виділення або поглинання апоферментом протонів на ділянках, які просторово можуть бути віддалені від гема. Т. о. Цитохроми здатні виступати в ролі переносників протонів в мембрані і брати участь в створенні трансмембранного протонного градієнта (див. Мембранна рівновага, Мембрани біологічні). Це найбільш переконливо показано для цитохрому b Слейтерові (Е. С. Slater) і КЛІНГЕНБЕРГ (М. Klingenberg). Відповідно до хемоосмотіческой теорією (В. П. Скулачов) освіту при перенесенні електронів по дихальному ланцюгу протонного градієнта є необхідною умовою сполучення дихання з фосфорилюванням. На цитохромними відрізку дихального ланцюга є два пункти сполучення: в комплексі b-c1 і на цітохромоксідазной ділянці.
Цитохромоксидази - термінальний Д. ф. мітохондрій - має складну будову. Вона складається з 6 субодиниць з мовляв. вагою (масою) від 5300 до 36 000. Дві субодиниці становлять, мабуть, цитохром a, a інші чотири відносяться до цитохрому a3. У перенесенні електронів до кисню беруть участь, крім гемових груп, також містяться в цитохромоксидази атоми міді, зміна валентності яких при взаємодії з киснем може бути виявлено методом ЕПР.
Цитохромоксидази зв'язується з окисом вуглецю і ціанідом, які є, т. О. інгібіторами дихання. На першій стадії взаємодії цитохромоксидази з киснем утворюється комплекс цитохромоксидаза - O2, так зв. оксигенированной форма цитохромоксидази. Далі відбувається відновлення кисню системою з двох комплексів, що знаходяться в кооперативному взаємодії, кожен з яких містить гемовую групу і мідь і здатний здійснювати двухелектронних перенесення.
Цитохром Р-450, термінальний Д. ф. микросомальной гідроксилюється системи, отримав свою назву завдяки утвореному їм досить міцному комплексу з CO, має незвичайний для гемопротеидов максимум при 450 нм. Однією з найбільш цікавих особливостей цитохрому P-450 є зміна його оптичних властивостей при утворенні комплексу з різними неполярними субстратами, що піддаються гидроксилированию в мікросомах. Більшість субстратів викликає збільшення поглинання при 385-395 нм і зниження оптичної щільності при 420 нм (так зв. Перший тип спектральних змін). Методом ЕПР показано, що при утворенні комплексу першого типу атом заліза гемової групи цитохрому P-450 переходить з нізкоспінового в високоспіновое стан.
Пов'язана з субстратом відновлена форма цитохрому Р-450 приєднує кисень з утворенням потрійного комплексу: субстрат - відновлений цитохром Р-450 - O2. Молекула O2 в цьому комплексі частково відновлюється, перетворюючись в активовану форму, здатну гідроксильованого субстрат. Механізм активації полягає, по-видимому, в тому, що молекула O2. прийнявши два електрона, піддається гетеро литическому розщепленню т. о. що один атом кисню з 8 електронами відділяється у вигляді іона гідроксилу, а інший, з 6 електронами, маючи структуру атомарного кисню, впроваджується в гідроксіліруемий субстрат.
В клин, практиці активність деяких Д. ф. (Дегідрогеназ і ін.) Служить додатковим діагностичним тестом при ряді захворювань (див. Дегідрогенази). Глюкозооксидаза (глюкозодегідрогеназа) використовується при визначенні вмісту в крові і в сечі глюкози (див. Городецького методи).
Бібліографія: Арчаков А. І. мікрос-мальное окислення, М. 1975, бібліогр .; Ленинджер А. Митохондрия, пров. з англ. М. 1966; P у б і н Б. А. і Л о-г і н о в а Л. Н. Альтернативні шляхи біологічного окислення, М. 1973; Я з а й т і з А. А. Перетворення енергії в мітохондріях, М. 1973; Biological oxidations, ed. by T. P. Singer, N. Y. 1968. Наступні