Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - универсальный источник и основной аккумулятор энергии в живых клетках . АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в среднем составляет 0,04% (от сырой массы клетки), наибольшее количество АТФ (0,2-0,5%) содержится в скелетных мышцах. В клетке молекула АТФ расходуется в течение одной минуты после ее образования. У человека количество АТФ, равное массе тела, образуется и разрушается каждые 24 часа .
АТФ – мононуклеотид, состоящий из остатков азотистого основания (аденина), рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам .
Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ. При этом при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты – в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). Выход свободной энергии при отщеплении как концевого, так и второго остатков фосфорной кислоты составляет около 30,6 кДж/моль. Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж/моль. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими).
Запасы АТФ постоянно пополняются. В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (митохондрии), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезе (хлоропласты).
АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии. Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.
Кроме АТФ есть и другие молекулы с макроэргическими связями – УТФ (уридинтрифосфорная кислота), ГТФ (гуанозинтрифосфорная кислота), ЦТФ (цитидинтрифосфорная кислота), энергия которых используются для биосинтеза белка (ГТФ), полисахаридов (УТФ), фосфолипидов (ЦТФ). Но все они образуются за счет энергии АТФ.
Помимо мононуклеотидов, важную роль в реакциях обмена веществ играют динуклеотиды (НАД + , НАДФ + , ФАД), относящиеся к группе коферментов (органические молекулы, сохраняющие связь с ферментом только в ходе реакции). НАД + (никотинамидадениндинуклеотид), НАДФ + (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) – динуклеотиды, имеющие в своем составе два азотистых основания – аденин и амид никотиновой кислоты – производное витамина РР), два остатка рибозы и два остатка фосфорной кислоты (рис. .). Если АТФ – универсальный источник энергии, то НАД + и НАДФ + – универсальные акцепторы, а их восстановленные формы – НАДН и НАДФН – универсальные доноры восстановительных эквивалентов (двух электронов и одного протона). Входящий в состав остатка амида никотиновой кислоты атом азота четырехвалентен и несет положительный заряд (НАД + ). Это азотистое основание легко присоединяет два электрона и один протон (т.е. восстанавливается) в тех реакциях, в которых при участии ферментов дегидрогеназ от субстрата отрываются два атома водорода (второй протон уходит в раствор):
Субстрат-Н 2 + НАД + субстрат + НАДН + Н +
В обратных реакциях ферменты, окисляя НАДН или НАДФН , восстанавливают субстраты, присоединяя к ним атомы водорода (второй протон приходит из раствора).
ФАД – флавинадениндинуклеотид – производное витамина В 2 (рибофлавина) также является кофактором дегидрогеназ, но ФАД присоединяет два протона и два электрона, восстанавливаясь до ФАДН 2 .
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
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.
Источники
Достаточное количество содержат мясные продукты, печень, почки, молочные продукты, дрожжи. Также витамин образуется кишечными бактериями.
Суточная потребность
Строение
В состав рибофлавина входит флавин – изоаллоксазиновое кольцо с заместителями (азотистое основание) и спирт рибитол .
Строение витамина В 2
Коферментные формы витамина дополнительно содержат либо только фосфорную кислоту – флавинмононуклеотид (ФМН), либо фосфорную кислоту, дополнительно связанную с АМФ – флавинадениндинуклеотид .
Строение окисленных форм ФАД и ФМН
Метаболизм
В кишечнике рибофлавин освобождается из состава пищевых ФМН и ФАД, и диффундирует в кровь. В слизистой кишечника и других тканях вновь образуется ФМН и ФАД.
Биохимические функции
Кофермент оксидоредуктаз – обеспечивает перенос 2 атомов водорода в окислительно-восстановительных реакциях.
Механизм участия флавинового кофермента в биохимической реакции
1. Дегидрогеназы энергетического обмена – пируватдегидрогеназа (окисление пировиноградной кислоты), α-кетоглутаратдегидрогеназа и сукцинатдегидрогеназа (цикл трикарбоновых кислот), ацил-SКоА-дегидрогеназа (окисление жирных кислот), митохондриальная α-глицеролфосфатдегидрогеназа (челночная система).
Пример дегидрогеназной реакции с участием ФАД
2. Оксидазы , окисляющие субстраты с участием молекулярного кислорода. Например, прямое окислительное дезаминирование аминокислот или обезвреживание биогенных аминов (гистамин, ГАМК).
Пример оксидазной реакции с участием ФАД
(обезвреживание биогенных аминов)
Гиповитаминоз B2
Причина
Пищевая недостаточность, хранение пищевых продуктов на свету, фототерапия, алкоголизм и нарушения ЖКТ.
Клиническая картина
В первую очередь страдают высокоаэробные ткани – эпителий кожи и слизистых. Проявляется как сухость ротовой полости, губ и роговицы; хейлоз , т.е. трещины в уголках рта и на губах ("заеды"), глоссит (фуксиновый язык), шелушение кожи в районе носогубного треугольника, мошонки, ушей и шеи, конъюнктивит и блефарит .
Сухость конъюнктивы и ее воспаление ведут к компенсаторному увеличению кровотока в этой зоне и улучшению снабжения ее кислородом, что проявляется как васкуляризация роговицы.
Антивитамины В 2
1. Акрихин (атебрин) – ингибирует функцию рибофлавина у простейших. Используется при лечении малярии, кожного лейшманиоза, трихомониаза, гельминтозов (лямблиоз, тениидоз).
2. Мегафен – тормозит образование ФАД в нервной ткани, используется как седативное средство.
3. Токсофлавин – конкурентный ингибитор флавиновых дегидрогеназ.
Лекарственные формы
Свободный рибофлавин, ФМН и ФАД (коферментные формы).
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).