Витамины это кофакторы ферментов

Кофакторы и коферменты. Виды витаминов и их биологическая роль.

Кофакторы и коферменты / Микроэлементы и коэнзимы

Для правильного расположения атомов в структуре ферментов и их оптимального функционирования многие ферменты должны быть в контакте с небольшими вспомогательными молекулами.

Два вида таких вспомогательных молекул – кофакторы (микроэлементы) и коферменты (коэнзимы).

Кофакторы (микроэлементы)

Кофакторы или микроэлементы – это неорганические ионы, такие как магний (Mg ++ ), селен (Se ++ ) и железо (Fe ++ ).

Коферменты (коэнзимы)

Коферменты или коэнзимы – это органические молекулы-помощники. Основные атомы в их составе это углерод и водород.

Наиболее распространенными источниками коферментов являются витамины получаемые из пищи.

Некоторые витамины не требуют каких-либо модификаций и могут непосредственно выступать в качестве коферментов.

Другие витамины должны быть модифицированы и являются предшественниками коферментов.

Виды витаминов и их биологическая роль.

Витамины – это органические соединения. Они являются очень важными питательными веществами и необходимы для оптимальной работы организма в ограниченных количествах.

Многие ферменты частично или даже полностью не работают если они не связаны с определенными небелковыми молекулами-помощниками.

Витамины могут связываться с ферментами двумя способами – либо с помощью ионных или водородных связей (на короткий промежуток времени), либо при помощи стабильных ковалентных связей (на все время существования фермента).

Водорастворимые и жирорастворимые витамины

Витамины могут быть либо растворимыми в воде либо в липидах.

Водорастворимые витамины

Водорастворимые витамины могут всасываться из кишечника непосредственно в кровь.

Витамин С (аскорбиновая кислота) и витамины группы B являются растворимыми в воде.

Поскольку избыточное количество водорастворимых витаминов может выводится с мочой, то их относительно трудно передозировать и достичь токсичных для организма уровней.

Жирорастворимые витамины

Жирорастворимые витамины попадают в организм таким же способом, как и липиды и поэтому потребление небольшого количество жиров вместе с ними имеет важное значение для их лучшего усвоения.

Жирорастворимые витамины — А (ретинол), D (кальциферол), Е (α-токоферол), и К (филлохинон).

Они легко проходят через плазматические мембраны желудочно-кишечного тракта и других тканей.

Чрезмерное потребление жирорастворимых витаминов может вести к тому что они будут накапливаться в жировых тканях организма и достигать токсичных уровней. На это особенно важно обращать внимание при приеме пищевых добавок для того чтобы избежать передозировки.

Водорастворимые витамины

Жирорастворимые витамины

В3 (ниацин, ниацинамид, никотиновая кислота)

источник

Строение ферментов и коферментов

В настоящее время подробно изучено около 2000 ферментов. Как и белки, ферменты имеют сложную пространственную третичную и четвертичную структуру. Нативная (природная) структурная организация ферментов обеспечивает их каталитическую функцию. Нарушение ее под воздействием различных факторов приводит к потере активности ферментов.

Ферменты подразделяют на простые и сложные. Простые ферменты состоят только из белка. Это многие ферменты пищеварительного тракта — амилаза, пепсин, трипсин. Сложные ферменты состоят из белковой части, которая называется апоферментом, и небелковой, которая называется кофактором. Молекулу сложного фермента часто называют холоферментом. Кофакторы, которые слабо связаны с белковой частью фермента, называются коферментами (коэнзимами). Кофермент может легко переходить от одного фермента к другому. Кофакторы, прочно связанные с белковой частью фермента, называются простетической группой. Кофакторами могут быть различные органические вещества и их комплексы, а также минеральные вещества. Многие из них термостабильны, но могут окисляться атмосферным кислородом. В организме человека ряд кофакторов не синтезируется, а поступает с продуктами питания. Их строение и участие в биологических процессах рассмотрено далее.

В проявлении каталитической активности фермента принимает участие не вся его молекула, а только незначительная часть, которая называется активным центром. Активный центр — это часть молекулы фермента, которая взаимодействует с коферментом и субстратом и участвует в преобразовании вещества. Активный центр ферментов может быть образован несколькими функциональными группами отдельных аминокислот, расположенными в различных участках полипептидной цепи белка. Поэтому для проявления каталитической активности фермента важна его нативная структурная организация. При нарушении этой структуры изменяется активный центр, а значит, и активность фермента. Существуют ферменты, которые состоят из нескольких белковых молекул, т. е. имеют субъединичное строение. Они могут иметь несколько активных центров или единый центр, образованный при взаимодействии этих субъединиц.

Кофакторы. Каталитическая активность сложных ферментов проявляется только в присутствии коферментов:

Кофермент участвует в формировании активного центра фермента. Многие коферменты имеют сложное строение и включают витамины. Таким образом, регуляторное влияние витаминов на обмен веществ опосредовано через ферменты.

Исходя из особенностей строения коферменты разделяют на две большие группы — витаминосодержащие и невитаминные Отдельные коферменты входят в состав продуктов повышенной биологической ценности, которые используются в практике спорта для улучшения механизмов энергообразования, ускорения процессов восстановления, специфического построения конституции тела, поэтому остановимся более подробно на их характеристике.

Витаминосодержащие коферменты — никотинамидные, флавиновые, кофермент ацетилирования, тиаминпирофосфат, пиридоксалевые, кобаламидные и др. — различаются строением и выполняемыми функциями.

Никотинамидные коферменты (НАД и НАДФ) в своем составе содержат витамин РР (никотинамид), флавиновые (ФМН и ФАД) — витамин В₂ (рибофлавин). Это кофакторы ферментов дегидрогеназ, катализирующих процессы биологического окисления питательных веществ. Они играют роль акцепторов и переносчиков водорода:

Кофермент ацетилирования (KoA-SH) содержит витамин В₃ (пантотеновую кислоту), а также нуклеотид (АДФ) и р-меркаптоэтанол, содержащий SH-rpynny. Этот кофермент играет важную роль в обмене углеводов, липидов и белков. Он входит в состав ферментов, катализирующих пере-нос ацетильных остатков (СН3-СО-) в процессе распада углеводов и жир-ных кислот, а также синтеза жирных кислот, стероидов, ацетилхолина, превращения аминокислот.

Тиаминпирофосфатный кофермент (ТПФ) содержит витамин В, (тиа-мин). Он является коферментом ферментов, которые катализируют декарбоксилирование (-СО2) пировиноградной и других кетокислот, регулируют распад и окисление углеводов.

Пиридоксалевые и кобаламидные коферменты являются производными витамина В6 (пиридоксальфосфата) и витамина В₁₂ (цианкобаламина) соответственно. Они входят в состав ферментов, которые катализируют превращение аминокислот и азотистых оснований, ускоряют процесс синтеза нуклеиновых кислот и белков.

Биотин (витамин Н) является простетической группой фермента ацетил-КоА-карбоксилазы, которая участвует в биосинтезе жирных кислот. Белок авидин, который находится в куриных яйцах, способен связываться с биотином и ингибировать этот фермент.

Убихиноновые коферменты (коферменты Q) являются производными жирорастворимых витаминов К и Е. Они участвуют в процессах тканевого дыхания и энергообразования.

Невитаминными кофакторами могут быть нуклеотиды (АТФ, ГТФ, ИТф, УДФ, ЦДФ), гемсодержащие соединения, пептиды и многие металлы. Нуклеотиды и ионы металлов помогают ферменту или субстрату принять форму, необходимую для их взаимодействия. Гем является простетической группой цитохромов (компонентов дыхательной цепи), каталазы и других ферментов.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Как то на паре, один преподаватель сказал, когда лекция заканчивалась — это был конец пары: «Что-то тут концом пахнет». 8543 — | 8124 — или читать все.

85.95.179.73 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

источник

22.Кофакторы ферментов: ионы металлов и коферменты. Коферментные функции витаминов (на примере витаминов в6, рр, в2).

Большинство ферментов для проявления ферментативной активности нуждается в низкомолекулярных органических соединениях небелковой природы (коферментах) и/или в ионах металлов (кофакторах).

Кофакторывыполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента, а именно третичной и четвертичной структур. В некоторых случаях ионы металла служат «мостиком» между ферментом и субстратом. Они выполняют функцию стабилизаторов активного центра, облегчая присоединение к нему субстрата и протекание химической реакции. В ряде случаев ион металла может способствовать присоединению кофермента. Перечисленные выше функции выполняют такие металлы, как Mg2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Мо2+. В отсутствие металла эти ферменты активностью не обладают. Такие ферменты получили название «металлоэнзимы». Схематично данный процесс взаимодействия фермента, субстрата и металла можно представить следующим образом:

Кофермент, локализуясь в каталитическом участке активного центра, принимает непосредственное участие в химической реакции, выступая в качестве акцептора и донора химических группировок, атомов, электронов. Кофермент может быть связан с белковой частью молекулы ковалентными и нековалентными связями. В первом случае он называется простетической группой (например, FAD, FMN, биотин, липоевая кислота). Вместе с тем известны примеры, когда кофермент присоединяется к ферменту нековалентными связями настолько прочно, что не диссоциирует от белковой молекулы, например тиаминдифосфат. Во втором случае кофермент взаимодействует с ферментом только на время химической реакции и может рассматриваться в качестве второго субстрата. Примеры — NAD+, NADP+. 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:

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 РРвходит в состав кофермента НАД + и НАДФ + , который принимает участие в ферментативных реакциях по последовательному механизму. Две ферментативные реакции, катализируемые ферментами Е1 и Е2, сопряжены друг с другом посредством кофермента NAD+, служащего в каждом из этих случаев субстратом. Для первого фермента субстратом служит окисленная форма NAD, в качестве второго субстрата выступает донор водорода — пример последовательных реакций, продуктом — восстановленная форма NAD, для фермента Е2 — наоборот.

Витамин В₅– принимает участие в синтезе кофермента А (Ацетил-КоА). Кофермент А (КоА) —коферментацетилирования; один из важнейших коферментов; принимает участие в реакциях переносаацильных групп.МолекулаКоА состоит из остаткаадениловой кислоты, связанной пирофосфатной группой с остаткомпантотеновой кислоты, соединённой пептидной связью с остаткомβ-меркаптоэтаноламина.

С КоА связан ряд биохимических реакций, лежащих в основе окисленияисинтезажирных кислот, биосинтеза жиров, окислительных превращений продуктов распада углеводов. Во всех случаях КоА действует в качестве промежуточного звена, связывающего и переносящего кислотные остатки на другие вещества. При этом кислотные остатки в составе соединения с КоА подвергаются тем или иным превращениям, либо передаются без изменений на определённые метаболиты.

Витамин В₂ – принимает участие в формировании кофактора ФАД и ФМН. Флавинадениндинуклеотид —кофактор, принимающий участие во многих окислительно-восстановительных биохимических процессах. FAD существует в двух формах — окисленной и восстановленной, его биохимическая функция, как правило, заключается в переходе между этими формами. FAD может быть восстановлен до FADH2, при этом он принимает два атома водорода. Молекула FADH2 является переносчиком энергии и восстановленныйкоферментможет быть использован каксубстратв реакцииокислительного фосфорилированиявмитохондрии. Молекула FADH2 окисляется в FAD, при этом выделяется энергия, эквивалентная (запасаемая в форме) двум молям ATФ.

источник

Кофакторы

Кофакторы и коферменты

Химическая природа ферментов.

Давно выяснено, что все ферменты являются белками и обладают всеми свойствами белков. Поэтому подобно белкам ферменты делятся на простые и сложные.

Простые ферменты состоят только из аминокислот – например, практически все гидролитические ферменты – протеазы, липазы, рибонуклеазы.

Сложные ферменты (холоферменты (греч. holos весь, полностью + фермент) имеют в своем составе белковую часть, состоящую из аминокислот – апофермент, и небелковую часть – кофактор (ионы металла) или кофермент (органическое соединение). Примером могут быть сукцинатдегидрогеназа (содержит ФАД) (в цикле трикарбоновых кислот), аминотрансферазы (содержат пиридоксальфосфат), пероксидаза(содержит гем). Для осуществления катализа необходим полноценный комплекс апобелка и кофактора, по отдельности катализ они осуществить не могут.

Наиболее значимыми кофакторами являются Mg +2 , Mn +2 , Zn +2 , Cu +2 , Fe +2 , Co +2 , Mo +2 . Ферменты, содержащие эти металлы называются металлоэнзимы. Ионы металлов выполняют следующие функции в ферментативном катализе:

· стабилизируют молекулы субстрата, активный центр и конформацию белковой молекулы (вторичную, третичную и четвертичную структуры). Например, четыре атома Zn +2 стабилизируют тетрамерную четвертичную структуру алкогольдегидрогеназы, К + стабилизирует третичную структуру фермента пируваткиназы.

· Для некоторых ферментов субстратом служит комплекс превращаемого вещества с ионом металла (Mg +2 -АТФ для киназ (гексокиназа, пируваткиназа, фосфофруктокиназа). Кроме того таким образом они обеспечивают правильную ориентацию субстрата в активном центре.

· Выполняют функцию стабилизатора активного центра фермента, облегчают присоединение к нему субстрата или кофермента.

· Непосредственно принимают участие в катализе (Zn +2 , Mn +2 , Fe +2 , Cu +2 ). Например, цинксодержащий фермент карбоангидраза, катализирующая образование угольной кислоты.

Комплекс Mg 2+ и АТФ

Большинству ферментов для выполнения каталитической функции необходимы коферменты. Исключение составляют гидролитические ферменты (протеазы, рибонуклеазы, липазы) не имеющие в составе активного центра коферментов.

Коферменты встраиваются в активный центр фермента и непосредственно участвуют в каталитическом процессе. Если связь ковалентная — такой кофермент называется простетической группой (липоат, биотин, ФАД, ФМН). Коферменты чаще всего представляют собой витамины или их производные.

Апофермент определяет специфичность превращений субстрата. Один и тот же кофермент встроенный в различные апоферменты может участвовать в различных преобразованиях субстрата. Например, пиридоксальфосфат (коферментная форма витамина В₆) участвует в реакциях трансаминирования или декарбоксилирования – всё зависит от апофермента с которым он связан. Коферментами выступают:

· гемы (простетическая группа). Входят в состав цитохромов, NO-синтаз, каталазы, пероксидазы, гуанилатциклазы, цитохромы.

Как многие белки, ферменты могут быть мономерами, т.е. состоят из одной субъединицы, и полимерами, состоящими из нескольких субъединиц.

Некоторым ферментам например мультиферментному комплексу пируват дегидрогеназы, связывающему гликолиз и цикл трикарбоновых кислот, требуется пять органических коферментов и один ион металла: тиамин пирофосфат (ТДФ), ковалентно связанный липоамид и флавин аденин динуклеотид (ФАД), косубстраты – никотинамид аденин динуклеотид(НАД) коэнзим А (КоА) и ион магния (Mg 2+ ).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Для студентов недели бывают четные, нечетные и зачетные. 9662 — | 7535 — или читать все.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

источник

Витамины это кофакторы ферментов

Термин «кофермент» был введён в начале XX века и обозначал часть некоторых ферментов, которая легко отделялась от белковой молекулы фермента и удалялась через полупроницаемую мембрану при диализе. Несколько позже было выяснено, что большинство ферментов состоит из термолабильной белковой части и термостабильного небелкового фактора — кофермента. Белковая часть получила название «апофермент», который в отсутствие кофермента не обладает каталитической активностью. Кофермент с белковой молекулой (апоферментом) формируют молекулу холофермента, обладающую каталитической активностью.

Более 25% всех ферментов для проявления полной каталитической активности нуждается в ионах металлов. Рассмотрим роль кофакторов в ферментативном катализе.

1. Роль металлов в присоединении субстрата в активном центре фермента

Ионы металла выполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента, а именно третичной и четвертичной структур.

Ионы металлов — стабилизаторы молекулы субстрата

Для некоторых ферментов субстратом служит комплекс превращаемого вещества с ионом металла. Например, для большинства киназ в качестве одного из субстратов выступает не молекула АТФ, а комплекс Mg 2+ -АТФ. В этом случае ион Мg 2+ не взаимодействует непосредственно с ферментом, а участвует в стабилизации молекулы АТФ и нейтрализации отрицательного заряда субстрата, что облегчает его присоединение к активному центру фермента (см. схему).

Схематично роль кофактора при взаимодействии фермента и субстрата можно представить, как комплекс Е-S-Ме, где Е — фермент, S — субстрат, Ме — ион металла.

В качестве примера можно привести расположение субстратов в активном центре гексокиназы (рис. 2-3).

Гексокиназа катализирует перенос концевого, y-фосфатного остатка молекулы АТФ на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата:

Рис. 2-3. Участие ионов магния в присоединении субстрата в активном центре гексокиназы. В активном центре гексокиназы есть участки связывания для молекулы глюкозы и комплекса Мg 2+ -АТФ. В результате ферментативной реакции происходит перенос концевого, y-фосфатного остатка молекулы АТФ на глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата.

Ион Мg 2+ участвует в присоединении и «правильной» ориентации молекулы АТФ в активном центре фермента, ослабляя фосфоэфирную связь и облегчая перенос фосфата на глюкозу.

Ионы металла — стабилизаторы активного центра фермента

В некоторых случаях ионы металла служат «мостиком» между ферментом и субстратом. Они выполняют функцию стабилизаторов активного центра, облегчая присоединение к нему субстрата и протекание химической реакции. В ряде случаев ион металла может способствовать присоединению кофермента. Перечисленные выше функции выполняют такие металлы, как Мg 2+ , Мn 2+ , Zn 2+ , Со 2+ , Мо 2+ . В отсутствие металла эти ферменты активностью не обладают. Такие ферменты получили название «металлоэнзимы». Схематично данный процесс взаимодействия фермента, субстрата и металла можно представить следующим образом:

К металлоэнзимам относят, например, фермент пируват киназу (рис. 2-4), катализирующий реакцию:

Рис. 2-4. Участие ионов магния в присоединении субстрата в активном центре пируваткиназы. Активный центр пируваткиназы имеет участки связывания для фосфоеноппирувата и АДФ. Мg 2+ участвует в стабилизации активного центра, что облегчает присоединение фосфоеноппирувата. В ходе ферментативной реакции образуется пируват и АТФ.

2. Роль металлов в стабилизации третичной и четвертичной структуры фермента

Ионы металлов обеспечивают сохранение вторичной, третичной, четвертичной структуры молекулы фермента. Такие ферменты в отсутствие ионов металлов способны к химическому катализу, однако они нестабильны. Их активность снижается и даже полностью исчезает при небольших изменениях pH, температуры и других незначительных изменениях внешнего окружения. Таким образом, ионы металлов выполняют функцию стабилизаторов оптимальной конформации белковой молекулы.

Иногда в стабилизации вторичной и третичной структуры принимают участие ионы щёлочноземельных металлов. Так, для поддержания третичной конформации пируваткиназы необходимы ионы К + .

Для стабилизации четвертичной структуры алкогольдегидрогеназы, катализирующей реакцию окисления этанола, необходимы ионы цинка. Алкогольдегидрогеназа состоит из 4 субъединиц с молекулярной массой 151 кД. В состав фермента входят 4 атома Zn 2+ . Удаление Zn 2+ приводит к потере активности фермента за счёт диссоциации на 4 неактивные субъединицы с молекулярной массой 36 кД (рис. 2-5).

Рис. 2-5. Роль ионов цинка в стабилизации четвертичной структуры алкогольдегидрогеназы.

3. Роль металлов в ферментативном катализе

Не менее важную роль отводят ионам металлов в осуществлении ферментативного катализа.

Участие в электрофильном катализе

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 Zn 2+ , Fе 2+ , Мn 2+ , Сu 2+ . Ионы щелочноземельных 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:

Ион Zn 2+ в результате электрофильной атаки участвует в образовании Н + и ОН — ионов из молекулы воды:

Протон и гидроксильная группа последовательно присоединяются к диоксиду углерода с образованием угольной кислоты (см. схему А).

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 (см. схему Б).

За окислительно-восстановительные свойства у дофамингидроксилазы отвечает ион меди (рис. 2-6).

Рис. 2-6. Участие иона меди в активации молекулы кислорода при функционировании дофамингидроксилазы. 1 — восстановление Сu 2+ , входящего в состав активного центра дофамингидроксилазы, до Сu + с помощью аскорбиновой кислоты; 2 — взаимодействие Сu + с кислородом с образованием перекисного соединения; 3 — перенос гидроксильной группы на молекулу дофамина с образованием норадреналина.

Фермент, содержащий ион Сu 2+ , не вступает в реакцию с молекулой кислорода. При восстановлении Сu 2+ до Сu + 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.

4. Роль металлов в регуляции активности ферментов

Иногда ионы металлов выступают в роли регуляторных молекул. Например, ионы Са 2+ служат активаторами фермента протеинкиназы С, катализирующего реакции фосфорилирования белков (см. раздел 5). Ионы Са 2+ также изменяют активность ряда кальций-кальмодулинзависимых ферментов (см. подраздел V).

Как уже было сказано, для проявления каталитической активности большинству ферментов необходимо наличие кофермента. Исключение составляют гидролитические ферменты (например, протеазы, липазы, рибонуклеаза), выполняющие свою функцию в отсутствие кофермента.

Кофермент, локализуясь в каталитическом участке активного центра, принимает непосредственное участие в химической реакции, выступая в качестве акцептора и донора химических группировок, атомов, электронов. Кофермент может быть связан с белковой частью молекулы ковалентными и нековалентными связями. В первом случае он называется простетической группой (например, FAD, FMN, биотин, липоевая кислота). Вместе с тем известны примеры, когда кофермент присоединяется к ферменту нековалентными связями настолько прочно, что не диссоциирует от белковой молекулы, например, тиаминдифосфат.

Во втором случае кофермент взаимодействует с ферментом только на время химической реакции и может рассматриваться в качестве второго субстрата. Примеры — NАD + , NАDР + .

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.

К коферментам относят следующие соединения:

• 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 метальной группы;

• глутатион, участвующий в окислительновосстановительных реакциях.

Строение и функции этих коферментов подробно рассмотрены в соответствующих разделах учебника.

В. Мультисубстратные реакции

Большинство ферментов катализирует реакции, в которых участвует более чем один субстрат. В случае если кофермент не является простетической группой, его также можно рассматривать как ещё один субстрат. Следовательно, участников ферментативной реакции может быть несколько: непосредственно фермент, несколько субстратов и кофермент.

В этих случаях механизм ферментативной реакции, как правило, может идти по одному из двух путей: по механизму «пинг-понг» (механизму двойного замещения) или последовательному. Рассмотрим оба механизма.

Схематично механизм «пинг-понг» может быть представлен следующим образом:

Субстрат А, взаимодействуя с ферментом (Е), превращается в продукт (Р₁). Фермент остаётся в результате этого преобразования не в нативной форме, а в изменённой (Е’) в результате модификации кофермента. Далее к активному центру Е’ присоединяется субстрат В, подвергающийся преобразованию в продукт (Р₂) с высвобождением нативной формы фермента (Е).

Хороший пример механизма «пинг-понг» — реакции трансаминирования с участием ферментов аминотрансфераз (кофермент пиридоксальфосфат). Аминотрансферазы, открытые отечественным учёным А. Е. Браунштейном, катализируют обратимые реакции переноса аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту. Механизм «пинг-понг» данной реакции схематично представлен на рис. 2-7.

Рис. 2-7. События в активном центре аминотрансферазы как пример механизма «пинг-понг». Кофермент пиридоксальфосфат (ПФ), связанный с ферментом, принимает α-аминогруппу от первой аминокислоты (АК₁) которая при этом превращается в α-кетокислоту 1 (КК₁) и высвобождается из активного центра фермента. Далее в активный центр фермента присоединяется α-кетокислота 2 (КК₂), которая забирает аминогруппу от кофермента и превращается в α-аминокислоту (АК₂).

Другой пример механизма «пинг-понг» — реакции дегидрирования с участием кофермента FAD (флавинадениндинуклеотид) или FMN (флавинмононуклеотид), которые прочно связаны с ферментом и, следовательно, не могут рассматриваться в качестве второго субстрата.

Схематично структура этих коферментов и соответствующие им химические формулы представлены на рис. 2-8.

Рис. 2-8. Структура (А) и химическое строение (Б) коферментов FMN и FAD.

FMN и FAD участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, акцептируя 2 е — и 2 Н+ в изоаллаксазиновом кольце (см. схему ниже).

Схему реакции дегидрирования (как пример механизма «пинг-понг» с участием коферментов FMN и FAD) можно представить в следующем виде:

где АН₂ — донор водорода, окисляемый субстрат 1; А — окисленная форма субстрата 1; В — акцептор водорода — субстрат 2; ВН₂ — восстановленная форма субстрата 2; Е (FAD), Е (FADH₂) — окисленная и восстановленная формы кофермента FAD, входящего в состав фермента Е.

В качестве примера FAD-зависимой реакции можно привести сукцинатдегидрогеназную реакцию. В этой реакции в качестве второго субстрата участвует убихинон — один из посредников ЦПЭ (см. схему).

2. Последовательный механизм

В случае последовательного механизма для протекания ферментной реакции требуется одновременно взаимодействие двух субстратов. В этом случае возможно присоединение субстратов двумя различными путями:

Механизм упорядоченного взаимодействия субстрата с активным центром фермента:

Первым в активный центр фермента присоединяется субстрат А, облегчая присоединение субстрата В. После химической модификации также наблюдают определённый порядок высвобождения продуктов реакции.

Механизм случайного взаимодействия субстрата с активным центром фермента:

Приоритетности за взаимодействие субстратов А и В в активном центре фермента нет (каждый субстрат имеет свой центр связывания в активном центре). Также нет строгой закономерности высвобождения продуктов реакции.

Примером последовательного упорядоченного механизма может быть реакция дегидрирования с участием коферментов NАD + , NАDР + .

Схематично структура и химические формулы этих коферментов представлены на рис. 2-9.

Рис. 2-9. Структура (А) и химическое строение (Б) коферментов NAD + и NАDР + .

Оба кофермента функционируют как посредники переноса двух электронов и одного протона от донора к акцептору, другого протона — в среду (см. схему А).

Донор и акцептор не обязательно участвуют в одном метаболическом пути. Другими словами, восстановленная форма этих нуклеотидов действует как общий пул электронов, образованный в результате окислительных реакций, и может быть использована в различных восстановительных реакциях. Такие реакции называют сопряжёнными (см. схему Б).

где АН₂ — донор водорода, восстановленная форма субстрата 1; А — окисленная форма субстрата 1; В — акцептор водорода — второй субстрат; ВН₂ — восстановленная форма субстрата 2; NAD + , NADH — окисленная и восстановленная формы кофермента; Е₁ и Е₂ — ферменты.

Две ферментативные реакции, катализируемые ферментами Е₁ и Е₂, сопряжены друг с другом посредством кофермента NAD + , служащего в каждом из этих случаев субстратом. Для первого фермента субстратом служит окисленная форма NAD, в качестве второго субстрата выступает донор водорода — пример последовательных реакций, продуктом — восстановленная форма NAD, для фермента Е₂ — наоборот.

В качестве примера можно рассмотреть следующие сопряжённые реакции (см. схему), где Е₁ — глицеральдегидфосфат дегидрогеназа; Е₂ — лактатдегцдрогеназа.

источник