Флавины

Флавинмононуклеотид (FMN) и флавинаде- ниндинуклеотид (FAD) — одни из самых универсальных клеточных редокс-активных кофакторов. Флавопротеины, содержащие FMN и FAD в качестве простетических групп, катализируют многие одно- и двухэлектронные редокс-реакции и являются ключевыми ферментами в таких процессах, как фотосинтез, цикл Кребса, β-окисление жирных кислот, аэробное дыхание и многих других. Важную роль флавопротеины играют в биосинтезе различных природных галогенпроизводных, в фоторепарации ДНК и апоптозе.

Около 16% флавопротеинов в качестве кофактора содержат FMN, остальные — FAD, при этом около 90% флавопротеинов связывают кофактор нековалентно. Большая часть флавопротеи нов специфична к одному из кофактров, однако было обнаружено несколько человеческих флавопротеинов, которые могут использовать и FAD, и FMN. Большая часть флавопротеинов человека, которых по последним данным описано около 276, относится к оксидоредуктазам, но встречаются они и среди трансфераз, лиаз, изомераз, лигаз.

В основе молекул FMN и FAD лежит изоаллоксазин — гетероциклическое соединение, построенное из бензольного, пиримидинового и пиразинового колец (см. таблицу). Изоаллоксазиновое ядро способно обратимо принимать и отдавать один или два электрона и может активироваться под действием кислорода. Благодаря этой особенности строения большинство флавинзависимых ферментов катализируют различные клеточные редокс-реакции.

Предшественником FMN и FAD является витамин В2 (рибофлавин). В человеческом геноме содержится около 90 генов, кодирующих флавинзависимые ферменты, 6 генов для поглощения рибофлавина и его последующего превращения в FMN и FAD, 2 гена для восстановления рибофлавина до дигидрорибофлавина. Мутации в этих генах часто связаны с патогенезом различных заболеваний. Так как большая часть функциональной активности флавопротеинов приходится на митохондрии, эти заболевания чаще всего связаны именно с митохондриальными дисфункциями. Реже нарушения затрагивают пероксисомы и эндоплазматический ретикулум.

Редокс-потенциал изоаллоксазинового кольца (—209 мВ) позволяет ему принимать участие в метаболизме многих молекул. Результатом таких реакций становятся обратимые взаимопревращения одинарных и двойных связей. Помимо этого, восстановленное изоаллоксазиновое кольцо может взаимодействовать с молекулярным кислородом, образуя пероксифлавин который, например, участвует в деградации ароматических метаболитов.

Флавины способны восстанавливаться и окисляться одноэлектронно с образованием радикальных форм. У многих ферментов это свойство флавинов используется при переносе двух электронов от субстратов-доноров на редокс-компоненты, способные принимать только один электрон (железо-серные центры, гемы цитохромов). Восстановленные флавины как в свободном состоянии, так и в составе белков, могут взаимодействовать с молекулярным кислородом и, в зависимости от белкового окружения, продуктами такой реакции оказываются либо O₂, либо Н₂О₂, либо и то, и другое. На рис. 2 слайд в упрощённом виде приведена общепринятая схема окисления восстановленного флавина кислородом. Восстановленный флавин (FlH) отдает один электрон молекуле кислорода, в результате чего образуется радикальная пара (FlH’* O2) (стадия а). Гомолитический распад пары приводит к образованию супероксид-радикала и радикала флавина (реакция б), а гетеролитический - к образованию перекиси водорода и окисленного флавина, либо непосредственно (реакция в), либо через образование (С(4а)-(гидро)пероксифлавина, реакции г и д).

Резюмируя все сказанное, следует отметить, что соотношение NAD+/NADH является важнейшим клеточным параметром, определяющим регуляцию таких биологических процессов, как энергетический метаболизм, сигналинг, поддержание общего редокс-статуса клетки, экспрессия генов, старение и клеточная смерть. Общий пул NAD тесно связан с пулом другого редокс- активного соединения — NADP, образующего редокс-пару NADP+/NADPH. NAD+ это ключевая молекула для обоих пулов — NAD и NADP, поскольку синтезируется de novo и служит предшественником для NADH, NADP+ и NADPH. Наряду с этим NAD и NADP играют ведущую роль и в продукции АФК в клетках. NAD и NADP задействованы в тонко сбалансированной регуляции одновременно двух важнейших противоположных по своему значению процессов клетки: работе антиок- сидантньк систем и продукции АФК.

Глутатионзависимая и тиоредоксинзависимая системы клетки также используют восстановленный NADP, из-за его более отрицательного редокс-потенциала, для восстановления глутатиона и тиоредоксина — основных компонентов тиол-дисульфидного обмена клетки. От соотношения GSSG/2GSH зависят многие глобальные клеточные процессы, в том числе пролиферация, дифференциация и клеточная смерть.

В отличие от многих других клеточных метаболитов, которые также присутствуют в клетке одновременно в окисленном и восстановленном состояниях, вышеперечисленные редокс- пары участвуют в большом количестве разных реакций и поэтому универсальны. Следует отметить, что большинство биологических окислительновосстановительных реакций представляют собой двухэлектронные процессы, что позволяет избежать образования активных промежуточных продуктов, в том числе свободных радикалов.