Флавопротеины: структура и функции¶

Флавопротеины — это класс сложных белков (конъюгированных ферментов), содержащих в качестве простетической группы производные рибофлавина (витамина B2): флавинадениндинуклеотид (ФАД) или флавинмононуклеотид (ФМН). Флавопротеины участвуют в окислительно-восстановительных реакциях клеточного метаболизма, выполняя функции переноса электронов и атомов водорода в дыхательной цепи, процессах β-окисления жирных кислот, цикле трикарбоновых кислот и других биохимических путях.

¶Структура и коферменты

Флавопротеины состоят из белковой части (апофермента) и ковалентно или нековалентно связанного кофермента — флавина. Различают два основных типа флавиновых коферментов:

• ФМН (флавинмононуклеотид) — фосфорилированное производное рибофлавина, содержащее остаток фосфорной кислоты.
• ФАД (флавинадениндинуклеотид) — более сложная молекула, состоящая из ФМН, соединённого с аденозинмонофосфатом (АМФ).

Флавиновое кольцо (изоаллоксазиновая система) способно обратимо принимать два атома водорода, переходя из окисленной формы в восстановленную (гидрохиноновую) и обратно. Именно эта способность определяет каталитическую активность флавопротеинов.

Связь кофермента с апоферментом может быть:

• нековалентной (обратимой) — большинство флавопротеинов;
• ковалентной — через остатки гистидина, цистеина или тирозина (например, в сукцинатдегидрогеназе и моноаминоксидазе).

¶Механизм действия

Флавопротеины катализируют перенос электронов от донора (например, НАДН, НАДФН, сукцината) к акцептору (убихинону, цитохромам, кислороду, нитратам). В отличие от никотинамидных коферментов (НАД⁺, НАДФ⁺), которые переносят гидрид-ион, флавины способны переносить как один, так и два электрона, что делает их универсальными посредниками между двухэлектронными и одноэлектронными переносчиками.

¶Классификация

По функциональному признаку флавопротеины делят на:

• Флавопротеиноксидазы — катализируют окисление субстрата кислородом с образованием перекиси водорода (глюкозооксидаза, аминоксидазы).
• Флавопротеиндегидрогеназы — переносят электроны на другие акцепторы, не образуя перекиси (сукцинатдегидрогеназа, ацил-КоА-дегидрогеназа).
• Флавопротеинмонооксигеназы — включают один атом кислорода в субстрат (цитохром P450-редуктаза).
• Флавопротеинредуктазы — восстанавливают различные субстраты (метгемоглобинредуктаза, ферредоксин-НАДФ⁺-редуктаза).

¶Биологическая роль

Флавопротеины присутствуют во всех живых организмах — от бактерий до человека. Основные функции:

• Дыхательная цепь митохондрий: НАДН-дегидрогеназа (комплекс I) и сукцинатдегидрогеназа (комплекс II) содержат ФМН и ФАД соответственно и обеспечивают перенос электронов на кофермент Q.
• Метаболизм жирных кислот: ацил-КоА-дегидрогеназы катализируют первую стадию β-окисления.
• Окисление аминокислот и биогенных аминов: моноаминоксидазы (МАО-А и МАО-Б) участвуют в деградации нейромедиаторов (дофамина, серотонина, норадреналина).
• Фоторецепция и биолюминесценция: флавопротеины участвуют в светочувствительных процессах (криптохромы, фотолиазы) и в реакции свечения у бактерий.
• Антиоксидантная защита: глутатионредуктаза и тиоредоксинредуктаза восстанавливают окисленные формы антиоксидантных систем.

¶Медицинское значение

Нарушение функции флавопротеинов связано с рядом наследственных заболеваний. Например, дефицит ацил-КоА-дегидрогеназ приводит к нарушениям окисления жирных кислот и тяжёлым метаболическим кризам. Дефицит комплекса I митохондриальной цепи вызывает митохондриальные энцефаломиопатии.

Рибофлавин (витамин B2) является предшественником флавиновых коферментов, поэтому его недостаток в питании приводит к снижению активности флавопротеинов и развитию арибофлавиноза (поражения кожи, слизистых, нарушение зрения).

Некоторые флавопротеины являются мишенями лекарственных препаратов. Так, ингибиторы моноаминоксидазы (ипрониазид, селегилин) применяются в психиатрии для лечения депрессии и болезни Паркинсона. Антибиотик рифамицин и противомалярийные препараты также воздействуют на флавиновые ферменты бактерий.

¶Применение в биотехнологии

Флавопротеины широко используются в промышленности:

• Глюкозооксидаза — применяется в глюкометрах для определения уровня глюкозы в крови, а также в пищевой промышленности для удаления кислорода из продуктов.
• Люцифераза — используется в биолюминесцентных методах анализа (например, для определения АТФ).
• Ферредоксин-НАДФ⁺-редуктаза — применяется в биосенсорах и в синтетической биологии.

¶Источники

• Ленинджер А. «Основы биохимии», т. 1–3, М.: Мир, 1985.
• Нельсон Д., Кокс М. «Основы биохимии Ленинджера», т. 1–2, М.: БИНОМ, 2011.
• Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. «Биологическая химия», М.: Высшая школа, 1998.
• Berg J. M., Tymoczko J. L., Stryer L. «Biochemistry», 7th ed., W. H. Freeman, 2012.