БХ – Ферменты – 5. Кофакторы ферментов: ионы металлов их роль в ферментативном катализе. Коферменты как производные витаминов. Коферментные функции витаминов В6, РР и В2 на примере трансаминаз и дегидрогеназ»

БХ – Ферменты – 5

«Кофакторы ферментов: ионы металлов их роль в ферментативном катализе. Коферменты как производные витаминов. Коферментные функции витаминов В6, РР и В2 на примере трансаминаз и дегидрогеназ»

Ферменты бывают однокомпонентными и двухкомпонентными:

- Однокомпонентные ферменты состоят только из аминокислот, то есть это «чистые» белки без каких-либо дополнительных компонентов;

- Двухкомпонентные ферменты состоят не только из аминокислот, помимо белковой части у них есть так называемая «небелковая часть».

Белковая часть двухкомпонентных ферментов называется «апоферментом». Сама по себе они НЕ проявляет каталитическую активность, для того, чтобы она стала «полноценным» ферментом, необходимо её соединение с небелковой частью. Апофермент в комплексе с небелковым компонентом называется «голоферментом», именно в таком виде он способен выполнять свою функцию.

Небелковая часть двухкомпонентных ферментов называется «кофактор». Кофакторы могут иметь как органическую природу, так и неорганическую. В роли неорганических кофакторов ВСЕГДА выступают ионы металлов (железа, меди, кобальта и т.д.).

Органические кофакторы, в свою очередь, также подразделяются на «простетические группы» и «коферменты».

Простетические группы связаны с апоферментами прочно и не могут свободно приходить/уходить из фермента, в ходе его деятельности. Простетические группы высвобождаются из ферментов в основном после РАЗРУШЕНИЯ фермента. Примером простетической группы служит гем.

Коферменты связаны с апоферментами непрочной связью, они могут диссоциировать от апофермента (отсоединяться от него) и после снова возвращаться в его состав. Примером кофермента могут служить NAD⁺ и NADP⁺. Некоторые ферменты начинают работать только после того, как к ним присоединится, например, NAD⁺, тогда указывается «NAD⁺-зависимый» и т.д. Коферменты логично рассматривать как второй субстрат для фермента.

Электрофильный катализ. Наиболее часто эту функцию выполняют ионы металлов с переменной валентностью, имеющие свободную d-орбиталь и выступающие в качестве электрофилов. Это, в первую очередь, такие металлы, как Zn²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Cu2+. Ионы щёлочно-земельных металлов, такие как Na⁺ и К⁺, не обладают этим свойством. В качестве примера можно рассмотреть функционирование фермента карбоангидразы. Карбоангидраза - цинксодержащий фермент, катализирующий реакцию образования угольной кислоты:

СО + H₂O ↔ H₂CO₃.

Ион Zn²⁺ в результате электрофильной атаки участвует в образовании Н⁺ и ОН^- ионов из молекулы воды:

Е - энзим (т.е. фермент)

Протон и гидроксильная группа последовательно присоединяются к диоксиду углерода с образованием угольной кислоты.

В ходе электрофильного катализа ионы металлов часто участвуют в стабилизации промежуточных соединений.

Участие в окислительно-восстановительных реакциях. Ионы металлов с переменной валентностью могут также участвовать в переносе электронов. Например, в цитохромах (гемсодержащих белках) ион железа способен присоединять и отдавать один электрон:

Благодаря этому свойству цитохромы участвуют в окислительно-восстановительных реакциях.

Другой пример участия ионов металлов в окислительно-восстановительных реакциях - работа фермента дофамингидроксилазы, катализирующего реакцию образования норадреналина при участии витамина С.

За окислительно-восстановительные свойства у дофамингидроксилазы отвечает ион меди.

Фермент, содержащий ион Сu²⁺, не вступает в реакцию с молекулой кислорода. При восстановлении Си²⁺ до Си⁺ с помощью аскорбиновой кислоты образуется ион меди, способный взаимодействовать с кислородом с образованием перекисного соединения. Далее гидроксильная группа переносится на молекулу дофамина с образованием норадреналина.

Апофермент обеспечивает специфичность действия и отвечает за выбор типа химического превращения субстрата. Один и тот же кофермент, взаимодействуя с различными апоферментами, может участвовать в разных химических превращениях субстрата. Например, пиридоксальфосфат в зависимости от того, с каким апоферментом взаимодействует, участвует в реакциях трансаминирования или декарбоксилирования аминокислот.

Химическая природа коферментов, их функции в ферментативных реакциях чрезвычайно разнообразны. Традиционно к коферментам относят производные витаминов, хотя помимо них есть значительный класс небелковых соединений, принимающих участие в проявлении каталитической функции ферментов.

К коферментам относят следующие соединения:

-производные витаминов;

-гемы, входящие в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы, гуанилатциклазы, NO-синтазы и являющиеся простетической группой ферментов;

-нуклеотиды - доноры и акцепторы остатка фосфорной кислоты;

-убихинон, или кофермент Q, участвующий в переносе электронов и протонов в ЦПЭ;

-фосфоаденозилфосфосульфат, участвующий в переносе сульфата;

-S-аденозилметионин (SAM) - донор метильной группы;

-глутатион, участвующий в окислительно-восстановительных реакциях.

Витамин B₆(пиридоксин) и его производное ПФ (пиридоксальфосфат):

1. Является коферментом фосфорилазы гликогена (50% всего витамина находится в мышцах), участвует в синтезе гема, сфинголипидов.

2. Наиболее известная функция пиридоксиновых коферментов – перенос аминогрупп и карбоксильных групп в реакциях метаболизма аминокислот:

- кофермент аминотрансфераз, переносящих аминогруппы между аминокислотами и кетокислотами;

- кофермент декарбоксилаз, участвующих в синтезе биогенных аминов из аминокислот – серотонина, гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), гистамина.

Витамин PP (ниацин) и его производные никотинамидадениндинуклеотид (NAD⁺) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (NADP⁺):

1. Метаболизм белков, жиров и углеводов. Так как NAD⁺ и NADP⁺ служат коферментами большинства дегидрогеназ, то они участвуют в реакциях:

-при синтезе и окислении карбоновых кислот;

-при синтезе холестерола;

-обмена глутаминовой кислоты и других аминокислот;

-обмена углеводов: пентозофосфатный путь, гликолиз;

-окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты;

-цикла трикарбоновых кислот.

2. NADH выполняет регулирующую функцию, поскольку является ингибитором некоторых реакций окисления, например, в цикле трикарбоновых кислот.

3. Защита наследственной информации – NAD⁺ является субстратом поли-АДФ-рибозилирования в процессе сшивки хромосомных разрывов и репарации ДНК.

4. Защита от свободных радикалов – NADPH является необходимым компонентом антиоксидантной системы клетки.

5. NADPH участвует в реакциях:

-ресинтеза тетрагидрофолиевой кислоты (кофермент витамина B₉) из дигидрофолиевой после синтеза тимидилмонофосфата;

-восстановления белка тиоредоксина при синтезе дезоксирибонуклеотидов;

-для активации "пищевого" витамина К или восстановления тиоредоксина после реактивации витамина К.

Витамин B₂(рибофлавин) и его производные флавинмононуклеотид (FMN), флавинадениндинуклеотид (FAD):

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).

2. Оксидазы, окисляющие субстраты с участием молекулярного кислорода. Например, прямое окислительное дезаминирование аминокислот или обезвреживание биогенных аминов (гистамин, ГАМК).