Химическая природа коферментов

Химическая природа коферментов

Коферменты, или коэнзимы — соединения небелковой природы, способствующие проявлению каталитической функции некоторых ферментов. К числу таких ферментов относится большинство оксидоредуктаз и трансфераз, все лигазы, значительная часть лиаз и некоторые изомеразы. Лишь гидролазы не нуждаются в коферментах и осуществляют каталитический процесс исключительно при посредстве активных центров, образованных аминокислотными радикалами полипептидной цепи фермента. В подавляющем большинстве случаев коферменты регенерируются в неизменном виде по завершении каталитического акта, и это отличает их от субстратов ферментативных реакций. Однако в многостадийных химических процессах, ускоряемых ферментами, на определенном этапе кофермент может выступать как субстрат и приходит в исходное состояние лишь по завершении всей цепи реакций или после химических преобразований, ведущих к восстановлению уровня его нормального содержания в клетке.

Химическая природа коферментов крайне разнообразна. Среди них встречаются органические вещества, относящиеся к алифатическому и ароматическому ряду, а также гетероциклические соединения, как одно-, так и многокомпонентные. Коферментам нельзя дать единую физико-химическую характеристику, поскольку это сборная группа соединений, объединенная лишь одним признаком — способностью соединяться с белками — апоферментами с образованием каталитически активных холоферментов. Термин «кофермент» впервые появился в 1897 г., когда Т. Бертран, изучая свойства лактазы (β-галактозидаза, отщепляющая концевые нередуцирующие остатки в (β-галактозидах), обозначил этим термином активатор этого фермента — Mn 2+ . Следующей важной вехой в развитии учения о коферменте было исследование английских биохимиков А. Гардена и В. Юнга, которые в 1906 г. доказали наличие в ферментном препарате дрожжей — зимазе термостабильного отделяемого ультрафильтрацией фактора — козимазы.

Из 800 ферментов, функционирующих с коферментами в качестве обязательных партнеров каталитических реакций, 675, т. е. почти 85%, используют для этого соединения нуклеотидной природы: НАД + (

165 ферментов) НАДФ + (

155) и НАД + и НАДФ + (

225). Они составляют самую многочисленную группу так называемых нуклеотидных коферментов. Не менее распространенным коферментом является пиридоксальфосфат. Ряд ферментов в качестве коферментов использует ФМН и ФАД, а также соединения хиноидной природы.

В качестве коферментов выступают и иные органические соединения. Так, в окислительно-восстановительных реакциях коферментами служат липоевая кислота, глутатион и железопорфирины, в реакциях переноса гликозильных остатков и их производных — нуклеозиддифосфатсахара, в реакциях переноса азотистых оснований при биосинтезе фосфолипидов — цитидиндифосфатхолин и т.п. Кроме того, функцию коферментов выполняют многие витамины.

Доказательства белковой природы ферментов:

1. Ферменты при гидролизе распадаются на аминокислоты.

2. Под действием кипячения и др. факторов ферменты подвергаются денатурации и теряют каталитическую активность.

3. Осуществлено выделение ферментов в форме кристаллов белка.

4. Ферменты оказывают высокоспецифическое действие.

Прямым доказательством белковой природы ферментов является лабораторный синтез первого фермента – рибонуклеазы.

Выделяют простые ферменты, состоящие только из полипептидной цепи: пепсин, трипсин, уреаза, рибонуклеаза, фосфатаза и др.

Большинство природных ферментов — сложные белки. Их небелковые компоненты называются кофакторамии необходимы для выполнения ферментом его каталитической роли. Кофакторами ферментов являются витамины или соединения, построенные с их участием (коэнзим А, НАД + , ФАД); фосфорные эфиры некоторых моносахаридов, ионы металов.

Кофермент — небелковый фактор, который легко отделяется от белковой части — апоферментапри диссоциации.

Читайте также:  Всё о вин дизеле

Простетическая группа– ковалентно связанный с белковой цепью небелковый компонент, который не отделяется при выделении и очистке фермента.

Весь фермент вместе с простетической группой назыывают холоферментом. Только объединение апофермента и кофермента обеспечивает активность холофермента.

Субстрат – вещество, подвергающееся превращениям под действием фермента.

Активный центр — специфический участок на поверхности фермента, связывающийся с молекулой субстрата и непосредственно участвующий в катализе. Активные центры ферментов образуются на уровне третичной структуры. У сложных ферментов в состав активного центра входят также простетические группы. Кофакторы ферментов выполняют роль промежуточных переносчиков атомов или групп.

В активном центре различают два участка. Субстратный (связывающий) центр — участок, отвечающий за присоединение субстрата. Его называют контактной, или «якорной» площадкой фермента. Каталитический центр отвечает за химическое превращение субстрата. В состав каталитического центра большинства ферментов входят такие аминокислоты, как серин, цистеин, гистидин, тирозин, лизин. Субстратный центр может совпадать (или перекрываться) с каталитическим центром.

Аллостерический центр — участок молекулы фермента вне его активного центра, который способен связываться с тем или иным веществом (лигандом). В результате изменяется третичная, а часто и четвертичная структура белковой молекулы. Как следствие изменяется конфигурация активного центра и каталитическая активность фермента. Это т. н. аллостерическая регуляцияактивности ферментов. Ферменты, активность каталитического центра которых подвергается изменению под влиянием аллостерических эффекторов, называют аллостерическими.

Некоторые из ферментов являются полифункциональными,т. е. обладают несколькими энзиматическими активностями, но всего лишь одной полипептидной цепью. Их белковая цепь образует несколько доменов,каждый из которых характеризуется своей каталитической активностью. Например, алкогольдегидрогеназа не только катализирует реакцию окисления спиртов, но также реакции обезвреживания ряда ксенобиотиков.

Изоферменты— это множественные формы фермента, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по физическим и химическим свойствам — сродству к субстрату, активности, электрофоретической подвижности.

Например, фермент лактатдегидрогеназа катализирует обратимое превращение пировиноградной кислоты в молочную. Она состоит из 4 субъединиц и содержит два типа полипептидных цепей: Н- сердечный тип (от англ. heart- сердце) и М — мышечный тип (от англ. muscle- мышца). Этот фермент благодаря различным сочетаниям субъединиц может существовать в 5 формах:

Для каждой ткани в норме характерно свое соотношение форм (изоферментный спектр) ЛДГ. Например, в сердечной мышце преобладает Н4, т.е. ЛДГ1, а в скелетных мышцах и печени – М4 (ЛДГ5). Изучение появления изоферментов ЛДГ в сыворотке крови позволяет судить о месте патологического процесса и о степени поражения органа или ткани.

Особую группу ферментов составляют мультимолекулярные ферментные комплексы. Существование таких комплексов ускоряет химические превращения. Если мультиэнзимный комплекс обслуживает единый, многоступенчатый процесс биохимических превращений, его называют метаболоном. Таковы метаболоны гликолиза, цикла Кребса, дыхательная цепь митохондрий и др.

4. Химическая природа кофакторов, их функции в ферментативных реакциях очень разнообразны. Согласно одной из классификаций все коферменты и простетические группы делят на 2 группы:

1. производные витаминов (табл. 1.4.1);

2. невитаминные кофакторы.

Важнейшие коферменты и простетические группы ферментов

Наименование Участвующий витамин Группы, подлежащие переносу
Никатинамидадениндинуклеотид (NAD, NADР) Никотинамид, витамин РР Атомы водорода (электроны)
Флавинмононуклеотид, рибофлавинфосфат (FMN, FAD) Рибофлавин, витамин В2 Атомы водорода (электроны)
Коэнзим А (СоА) Пантотеновая кислота Ацильные, ацетильные и др. группы
Тетрагидрофолиевая кислота (ТГФ) Фолиевая кислота Метильные, метиленовые, формильные группы или фориминогруппы (одноуглеродные остатки)
Биоцитин Биотин, витамин Н Двуокись углерода (активная форма СО2)
Тиаминдифосфат (TDP) Тиамин, витамин В1 Альдегиды и кетоны
Пиридоксаль-5-фосфат (P5P) Пиридоксин, витамин В6 Аминогруппы, карбоксильные группы
Дезоксиаденозил- и (метил)-кобаломин (В12 — коферменты) Цианкоаломин, витамин В12 Атомы водорода, протоны и электроны
Читайте также:  Lyka labs туринабол

К невитаминным кофакторам относят следующие соединения: НS-глутатион, АТР, липоевую кислоту, производные нуклеозидов (уридинфосфат, цитидинфосфат, фосфоаденозинфосфосульфат), порфиринсодержащие вещества и др. К ним же могут быть отнесены тРНК, которые в составе ферментов аминоацил-тРНК-синтетаз принимают активное участие в транспортировке аминокислот в рибосому, где осуществляется синтез белка.

Следует отметить одну отличительную особенность двухкомпонентных) ферментов: ни кофактор отдельно (включая большинство коферментов), ни сам по себе апофермент каталитической активностью не наделены, и только их объединение, протекающее не хаотично, а в соответствии с программой их структурной организации, обеспечивает быстрый ход химической реакции.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Подобно другим белкам ферменты имеют большую молекуляр­ную массу — от десятков тысяч до нескольких миллионов дальтон и че­тыре уровня структурной организации: первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Большинство ферментов обладают четвертичной структурой.

По своему строению ферменты, как и все белки, делят на про­стые (ферменты-протеины) и сложные (ферменты-протеиды, или холоферменты). Холоферменты состоят из белковой части — апофермента и небелковой — кофактора. Различают две группы кофакторов: ионы; ме­таллов и коферменты, представляющие собой низкомолекулярные орга­нические вещества. Небелковый компонент — кофактор в сложных фер­ментах, как правило, составляет незначительную часть от всего фер­мента. Следует отметить, что апофермент и кофактор порознь мало активны или вообще неактивны, только их комплекс — холофермент проявляет каталитические свойства.

Примерами простых ферментов являются пепсин, трипсин, па­паин, уреаза, лизоцим, рибонуклеаза, фосфатаза и другие. Большинство природных ферментов — сложные белки.

В трехмерной структуре и простых, и сложных ферментов с функциональной точки зрения различают ряд участков, среди которых главными являются активный центр и аллостерический (регуляторный) центр.

Активный центр — участок, с которым связывается субстрат (ве­щество, превращающееся под действием фермента). Обычно активный центр фермента образуют 12-16 остатков аминокислот, в состав активно­го центра холофермента входит также кофактор. В активном центре раз­личают контактный участок, связывающий субстрат, и каталитический участок, где происходит превращение субстрата после его связывания. Однако это деление условно, так как связывание субстрата в контактном участке влияет на специфичность и скорость превращения его в катали­тическом участке. У простых ферментов роль функциональных групп кон­тактного и каталитического центра выполняют только боковые радикалы аминокислот. У сложных ферментов главную роль в этих процессах вы­полняют кофакторы. Они могут быть или прочно связаны с активным центром фермента, или могут легко отделяться от него при диализе. В первом случае кофакторы часто называют простетической группой, по­добно тому, как это принято для небелковой части неферментных белков. Но абсолютной разницы между простетической группой и кофактором нет, так как одни и те же соединения или ионы металлов могут быть и кофактором, и простетической группой в различных ферментах.

Читайте также:  Изометрический метод развития силы

Кроме активного центра у ферментов имеется регуляторный, или аллостерический центр, который пространственно разделен с активным центром. Аллостерическим (от греческого alios — иной, чужой) он называ­ется потому, что молекулы, связывающиеся с этим центром, по строению (стерически) не похожи на субстрат, но оказывают влияние на связыва­ние и превращение субстрата в активном центре, изменяя его конфигу­рацию. Молекула фермента может иметь несколько аллостерических цен­тров.

6.3. Кофакторы ферментов Ионы металлов как кофакторы ферментов

Примерно треть всех известных ферментов является металлозависимыми. Роль металлов в этих ферментах различна. Металлоферменты делятся на следующие группы и подгруппы:

1. Ферменты, где ионы металлов выполняют роль активаторов (эти ферменты катализируют и без металла, но их активность снижается).

2. Ферменты, где ионы металлов выполняют роль кофактора (без ионов металлов эти ферменты неактивны):

2.1) диссоциирующие металлоферменты — (ион металла легко диссоциирует от апофермента);

2.2) недиссоциирующие металлоферменты — металлопротеиды:

В роли кофактора могут выступать ионы различных металлов, чаще всего это ионы Mg 2+ , Мп 2+ ,Zn 2+ , Fe 2+ , Сu 2+ , Са 2+ , Со 2+ , Мо 6+ , K + .

Существует несколько вариантов участия ионов металла в работе фермента. В большинстве случаев ноны металлов вступают в непрочную связь с апоферментом, способствуя формированию каталитически активной третичной и четвертичной структуры апофермента. Стабилизация возможна за счет образования солевых мостиков между ионом металла и карбококсильными группами кислых аминокислот при формировании третичной структуры или между субъединицами при образовании четвертичной структуры. К числу таких ионов относятся Mg 2+ , Мn 2+ , Zn 2+ , Са 2+ и другие. Например, ионы кальция стабилизируют третичную и четвертичнyю структуры α-амилазы, а ионы цинка — алкогольдегидрогеназы; макромолекулы этих ферментов в ре­зультате становятся устойчивыми по отношению к пептигидролазам желудочно-кишечного тракта.

В составе металлопротеидов содержатся, как правило, металлы с переменной валентностью (железо, медь, кобальт, молибден). Наибо­лее многочисленны металлопродеиды класса оксидоредуктаз (катализ реакций окисления — восстановления). Ионы металлов в этих ферментах сами участвуют в транспорте электронов, то есть выполняют функцию каталитического участка. Классическим примером ферментов этого типа служат цитохромы (см. главу 9).

Наконец, многие ионы металлов (Mg 2+ , Мn 2+ , Zn 2+ и другие) активно участвуют в ферментативном катализе, связывая либо субстрат и фермент, либо кофермент с апоферментом. Примером первого случая может служить образование тройного фермент — металл — субстратного комплекса при действии аргиназы, петигидролаз, карбоксилаз и дру­гих ферментов. Примером второго рода является присоединение флавинового кофермента к апоферменту с помощью ионов железа, молиб­дена, меди и цинка.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector