Цитохром и гемоглобин различия

Цитохромы (греческий kytos вместилище, здесь — клетка + chroma цвет, окраска) — группа гемсодержащих белков, обладающих свойством принимать и отдавать электроны за счет изменения валентности центрального атома железа в геме. В группу цитохромов входят соединения, выполняющие различные биологические функции и принимающие участие в таких важнейших клеточных процессах, как тканевое дыхание (см. Окисление биологическое) и окисление молекулярным кислородом различного рода неполярных органических соединений (см.). Биологическая роль некоторых цитохромов неясна, хотя, по-видимому, все они функционируют путем последовательного окисления и восстановления (см. Окислительно-восстановительные реакции). Некоторые цитохромы принято считать дыхательными ферментами (см.), а другие — просто переносчиками в процессах окисления и восстановления.

Спектр поглощения системы цитохром, типичной для ряда животных тканей, с четырьмя полосами в видимой части спектра впервые наблюдал Мак-Манн (С. A. MacMunn) в 1886 году. Однако только в 1925 году Д. Кейлин смог оценить биол. роль этих гем-содержащих белков (гемопротеидов). Им и был предложен термин «цитохромы», принятый биохимиками всех стран. Д. Кейлин первым установил, что цитохромная система играет важную роль в процессах тканевого дыхания и биол. окисления.

Цитохромы содержатся почти во всех растительных, животных и бактериальных клетках, использующих для своей жизнедеятельности энергию, освобождающуюся в процессе биол. окисления. К цитохромам относят все внутриклеточные гемопротеиды (см. Металлопротеиды), за исключением гемоглобина (см.), миоглобина (см.), каталазы (см.) и пероксидаз (см.).

Классификация цитохромов основана на различиях в природе их простетической группы — гема. В соответствии с четырьмя типами гема выделяют четыре группы цитохром, цитохромы a, b, с, d, которые различаются боковыми цепями при порфириновых кольцах (см. Порфирины). У цитохромов а гемовая группа содержит формильную боковую цепь, у цитохромов b простетической группой является протогем, нековалентно связанный с белковой частью молекулы, у цитохромов с боковые цепи гема ковалентно связаны с белком, а у цитохромов d гем содержит дигидропорфирин (хлорин). Если в молекуле цитохрома со специфическим белком связаны две разные гемовые группы, то в названии этого цитохрома указывают оба типа гемов, напр, цитохром cd (цитохром-оксидаза Pseudomonas; КФ 1.9.3.2).

Если в молекуле гемопротеида атом железа координационно связан не только с четырьмя атомами азота порфирина, но также с определенными группами белка (пятая и шестая координационные связи), то в обозначении цитохромы отсутствует знак «штрих», например, в цитохроме с одна из координационных связей формируется с остатком гистидина (см.), а другая — с остатком метионина (см.) белковой части молекулы. В обозначении цитохромов, у которых характер связей гемовой группы отличается от описанного выше, используется знак «штрих» (напр., цитохром c’).

Название цитохромы с установленной структурой включает числовой индекс, стоящий при букве, обозначающей подгруппу, к к-рой принадлежит данный цитохром, например, цитохром а3 (цитохром с — оксидаза: КФ 1.9.3.1). При обозначении других цитохром указывают длину волны (в нанометрах) α-полосы в спектре поглощения восстановленной формы (например, цитохром с-554). Длину волны определяют при комнатной температуре и приводят ее значение для абсолютного (а не разностного) спектра поглощения.

Цитохромы в восстановленной форме обладают четко выраженным характерным поглощением в видимой области спектра. В типичном спектре поглощения индивидуального цитохрома (в восстановленном состоянии) имеются три основные полосы поглощения. В порядке уменьшения длины волны они обозначаются как α-, β- и γ-полосы. Самой интенсивной является γ-полоса; γ-полоса, обычно имеющая на графике вид острого пика, интенсивней, чем β-полоса. Следует отметить, что β-полоса поглощения у цитохромов а выражена весьма слабо, а иногда и совсем отсутствует. В результате окисления восстановленной формы цитохромы α- и β-полосы исчезают и поглощение в этой области становится диффузным; γ-полоса остается, но несколько смещается в сторону ультрафиолетовой области спектра (рис. 1).

Локализация цитохромы в клетках варьирует в зависимости от специализации клеток и от интенсивности их функционирования. Большая часть клеточных цитохром локализована во внутренней митохондриальной мембране (см. Митохондрии) и в микросомах (см.) — мембранах эндоплазматической сети, в плазматических мембранах, в мембранах хлоропластов, а также частично в ядерной мембране. Например, в летательных мышцах насекомых цитохромы расположены почти исключительно в митохондриях (во внутренней митохондриальной мембране), в то время как в клетках печени значительная доля всех цитохром находится в мембранах эндоплазматической сети.

Цепь переноса электронов в митохондриях схематически выглядит следующим образом:

субстрат (НАД-Н, сукцинат и др.) -> ФП(Feиг) -> KoQ -> цитохром b -> цитохром c1 -> цитохром с -> цитохром aa3 -> кислород O2,

где ФП (Feиг — специфичный к определенному субстрату флавопротеидный фермент, с которым связано негемовое железо, KoQ — убихинон, или кофермент Q.

В свою очередь участие цитохромов в системе окисления в микросомах может быть представлено одной из возможных схем:

где RH — окисляемый субстрат, ФП1 — флавопротеид 1, или НАДФ•Н-дегидрогеназа.

Ферменты, являющиеся донорами электронов для цитохромов, носят групповое название цитохромредуктаз. Например, НАД • Н-цитохром b — редуктаза, цитохром b5 — редуктаза (КФ 1.6.2.2), окисляясь, восстанавливают соответствующие цитохромы.

Основными методами изучения функциональной активности цитохромы и их количественного содержания в тканях являются спектральные методы, основанные либо на измерении интенсивности полос поглощения восстановленных форм цитохромы, либо на определении разностного спектра поглощения между восстановленными и окисленными формами (см. Спектральный анализ). Интенсивность альфа-полос в спектре поглощения характеризует степень восстановленности разных цитохром даже тогда, когда они находятся в нативных тканях и суспензиях клеток.

Главная сложность при изучении цитохромы заключается в том, что большинство из них трудно получить в растворе. За исключением цитохрома с, большая часть которого легко экстрагируется, цитохромы можно выделить лишь с помощью таких жестких методов, как обработка клеток ультразвуком, детергентами (см.), а также путем ферментативного гидролиза. Очищенные цитохромы не реагируют друг с другом при смешивании, если при этом в реакционную смесь одновременно не добавляют фосфолипиды (см. Фосфатиды).

Наиболее характерными представителями цитохром являются цитохромы c и b5, цитохром P-450 и цитохром-оксидаза.

Цитохром с является наиболее изученным цитохромом. Он способен хорошо растворяться в воде. Этот цитохром имеет небольшой для белка молекулярный вес (около 13 000), выделен в кристаллическом виде из многих биологических источников, причем в каждом случае его первичная структура (то есть последовательность соединения аминокислотных остатков в белковой молекуле) полностью установлена. Сопоставление первичных структур цитохромов с разных биол. видов показало удивительное постоянство последовательности аминокислотных остатков в их полипептидной цепи; отмечено лишь небольшое число положений, в которых может происходить замена отдельных аминокислот. Поэтому цитохром с является удобным объектом для изучения точек дивергенции на протяжении биол. эволюции.

Цитохром с, подобно другим цитохромам с небольшим молекулярным весом, по существу является переносчиком в окислительно-восстановительных процессах, транспортируя окислительновосстановительные эквиваленты от одной молекулы к другой, как это делает НАД (см. Никотинамидадениндинуклеотид). Поэтому цитохром с можно считать истинным кофактором дыхательной цепи. Он не действует как фермент, активирующий специфический субстрат (см. Ферменты).

Цитохромоксидаза (синоним: цитохром aa3, цитохром с — оксидаза; КФ 1.9.3.1) катализирует окисление цитохрома с молекулярным кислородом и является конечным цитохромным компонентом в дыхательной цепи митохондрий (см.). Она локализована во внутренней мембране этих органелл и прочно связана с самой мембраной. Цитохромоксидаза внутренней мембраны митохондрий сердечной мышцы быка содержит шесть разных белковых субъединиц, обозначаемых номерами от I до VI. Гомогенные препараты белковых субъединиц этой цитохром-оксидазы были выделены методом электрофореза (см.) в полиакриламидном геле с додецилсульфатом натрия. Они обладают гидрофобными свойствами, определены их мол. веса и аминокислотный состав.

Одна из гемовых групп цитохром-оксидазы (гем A3) может связывать дыхательные ингибиторы — монооксид углерода (угарный газ) или синильную кислоту (см.), изменяя при этом свой спектр поглощения; гем а эти ингибиторы не связывает.

Цитохром Р-450 представляет собой совершенно особый класс цитохромов. Он является ключевым ферментом метаболизма неполярных соединений экзогенного и эндогенного происхождения у животных и человека. Его название «цитохром Р-450» не соответствует номенклатуре, однако оно сохранилось в мировой биохимической литературе. Цитохром Р-450 представляет собой гемопротеид, который содержит гем b. Спектр поглощения его восстановленной формы не типичен для цитохромов (рис. 2). Цитохром Р-450 не поглощает свет при длине волны 450 нм, как можно было бы предполагать по его названию; полоса поглощения в этой области свойственна комплексу его восстановленной формы с монооксидом углерода CO. Сродство цитохрома P-450 к CO значительно выше, чем у цитохрома a3.

Цитохром Р-450 осуществляет реакции окисления молекулярным кислородом неполярных органических соединений. По характеру действия этот цитохром является монооксигеназой внешнего типа, использующей НАДФ-Н в качестве источника окислительно-восстановительных эквивалентов. Реакция окисления органических соединений, катализируемая этим цитохромом, протекает в соответствии с уравнением:

RH + O2+DH2 —> ROH + H2 + D,

где RH — окисляемое вещество, а DH2 — донор окислительно-восстановительных эквивалентов.

В клетках животных и человека цитохром Р-450 локализован в мембранах эндоплазматической сети, в наружной митохондриальной мембране и ядерной оболочке. Существует много различных изоформ цитохрома Р-450 (см. Изоферменты), только из печени кролика, например, выделено до 20 различных подфракций цитохрома Р-450. В клетках печени, легких, кожи и др. человека и животных цитохром Р-450 осуществляет реакции окисления неполярных чужеродных соединений (ксенобиотиков), в том числе лекарственных веществ, способствуя таким образом их удалению из гидрофобной зоны биол. мембран (см. Мембраны биологические). В стероидпродуцирующих тканях он осуществляет реакции окисления холестерина (см.) в стероидные гормоны (см.), в печени — биосинтез желчных кислот (см.) из холестерина. Цитохром Р-450 участвует в реакциях окисления ненасыщенных жирных кислот (см.) и биосинтезе простагландинов (см.). Ферментные системы, включающие цитохром Р-450, многокомпонентны и, кроме него, содержат НАДФ • Н-специфичные редуктазы, негемовые серосодержащие белки или цитохром b5.

Цитохром b5 — типичный гемопротеид типа b. Он участвует в монооксигеназных реакциях, взаимодействуя с цитохромом Р-450, в реакциях десатурации насыщенных жирных кислот. Вероятнее всего, НАД • Н-цитохром b5 — редуктазная система состоит из этого гемопротеида и НАД • Н-специфичного флавопротеида (см. Флавопротеиды) и является универсальной редуцирующей системой биологических мембран, использующей окислительно-восстановительные эквиваленты НАД-Н для восстановления-окисления белковых и небелковых функциональных групп.

Гистохимические методы определения цитохромов

Цитохромоксидазу и ее субстрат — цитохром с гистохимически выявляют с помощью так называемой G-нади-реакции или лабильной нади-реакции, окислительной реакции между альфа-нафтолом и диметил-n-фенилендиамином с образованием индофенолового синего. Эта реакция проводится на свежей фиксированной ткани. Образование индофенолового синего в G-нади-реакции катализируется цитохромом с, окисление которого молекулярным кислородом идет медленно и для ускорения требует присутствия цитохромоксидазы. Таким образом, положительная G-нади-оксидазная реакция свидетельствует о присутствии в исследуемой ткани системы цитохромоксидаза — цитохром с. Недостаток цитохрома с может препятствовать нормальному протеканию этой реакции. Структуры, обладающие ферментативной активностью, окрашиваются в синий, синевато-фиолетовый, синевато-коричневый и коричневато-черный цвет в зависимости от используемой модификации реакции. Из модификаций G-нади-реакции для определения цитохромоксидазы — цитохрома с чаще применяется модификация Берстона (метод окислительного сочетания). В качестве используемого амина в этой реакции применяют N-фенил-n-фенилендиамин, а в качестве агента сочетания, кроме альфа-нафтола, ряд различных замещенных нафтолов.

Реакции гистохимического выявления цитохром рекомендуют проводить в нейтральной или слабощелочной среде (pH 7,0—8,0). В качестве ингибиторов активности цитохром, используемых для изготовления контрольных препаратов, обычно употребляют азид натрия или цианид калия.

См. также Ферменты.

Библиогр.:

Арчаков А. И. Микросомальное окисление, М., 1975;

Диксон М. и Уэбб Э. Ферменты, пер., с англ., т. 2, с. 692, М., 1982; Лойда 3., Госсрау Р. и Шиблер Т. Гистохимия ферментов, Лабораторные методы, пер. с англ., с. 192, М., 1982; Пирс Э. Гистохимия, пер. с англ., М., 1962; Кeilin D. On cytochrome, a respiratory pigment, common to animals, yeast, and higher plants, Proc. roy. Soc. B, v. 98, p. 312, 1925—1926; Mac-Munn C. A. Researches on myohaematin and the histohaematins, Philos. Trans. B, V, 177, p. 267, 1886.

А. И. Арчаков, H. H. Ивков; А. Г. Уфимцева (гист.).