Тема 2. 4. Кофакторы и коферменты

Большинство ферментов для проявления каталитической активности нуждается в присутствии некоторых веществ небелковой природы - кофакторов. Различают две группы кофакторов: ионы металлов и коферменты.

1. Ионы металла участвуют в функционировании фермента различными способами.

• Изменяют конформацию молекулы субстрата, что обеспечивает комплементарное взаимодействие с активным центром. Например, в качестве субстрата выступает комплекс Mg2+-АТФ.

• Обеспечивают нативную конформацию активного центра фермента. Ионы

Mg²+, Mn²+, Zn²+, Co²+, Mo²+ участвуют в стабилизации активного центра ферментов и способствуют присоединению кофермента.

• Стабилизируют конформацию белковой молекулы фермента. Например, для стабилизации четвертичной структуры фермента алкогольдегидрогеназы, катализирующей реакцию окисления этанола, необходимы ионы цинка.

• Непосредственно участвуют в ферментативном катализе. Ионы Zn²+, Fe²+, Мп²+, Cu²+ принимают участие в электрофильном катализе. 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:

2. Коферменты являются органическими веществами, чаще всего производными витаминов, которые непосредственно участвуют в ферментативном катализе, так как находятся в активном центре ферментов. Фермент, содержащий кофермент и обладающий ферментативной активностью, называют холоферментом. Белковую часть такого фермента называют апоферментом, который в отсутствие кофермента не обладает каталитической активностью.

Кофермент может связываться с белковой частью фермента только в момент реакции или быть связанным с апоферментом прочными ковалентными связями. В последнем случае он называется простетической группой. Примеры наиболее распространенных коферментов - производных витаминов, а также их участие в ферментативных процессах - приведены в табл. 2.1.

Таблица 2 .1. Структура и функция основных коферментов

Окончание табл. 2 .1.

ТЕМА 2.5. КЛАССИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА

ФЕРМЕНТОВ

1. В названии большинства ферментов содержится суффикс «аза», присоединенный к названию субстрата реакции (например: уреаза, сахараза, липаза, нуклеаза) или к названию химического превращения определенного субстрата (например: лактатдегидрогеназа, аденилатциклаза, фосфоглюкомутаза, пируваткарбоксилаза). Однако в употреблении сохранился ряд тривиальных, исторически закрепленных названий ферментов, которые не дают представления ни о субстрате, ни о типе химического превращения (например трипсин, пепсин, ренин, тромбин и др.).

2. Для того чтобы систематизировать имеющиеся в природе ферменты, Международный союз биохимии и молекулярной биологии (IUBMB) в 1961 г. разработал номенклатуру, согласно которой все ферменты делятся на шесть основных классов в зависимости от типа катализируемой химической реакции. Каждый класс состоит из многочисленных подклассов и подподклассов, в зависимости от преобразуемой химической группы субстрата, донора и акцептора преобразуемых группировок, наличия дополнительных молекул и т.д. Каждый из шести классов имеет свой порядковый номер, строго закрепленный за ним: 1-й класс - оксидоредуктазы; 2-й класс - трансферазы; 3-й класс - гидролазы; 4-й класс - лиазы; 5-й класс - изомеразы; 6-й класс - лигазы.

Эта классификация необходима для точного определения фермента: для каждого фермента имеется кодовое число. Например, фермент маладегидрогеназа имеет систематическое название L-малат: NAD-оксидоредуктаза и кодовое число - 1.1.1.38. Первая цифра означает номер класса ферментов (в данном случае цифра 1 свидетельствует, что фермент относится к классу оксидоредуктаз); вторая цифра указывает на тип катализируемой реакции (в данном примере окислению подвергается гидроксильная группа); третья цифра означает наличие кофермента (в данном случае - кофермент NAD+), последняя цифра - это порядковый номер фермента в данной подгруппе.

3. Характеристика основных классов ферментов с примерами катализируемых ими реакций.

1. Оксидоредуктазы катализируют различные окислительно-восстановительные реакции. Класс делится на подклассы:

а) дегидрогеназы катализируют реакции дегидрирования (отщепления водорода с переносом электронов от дегидрируемого субстрата на другой акцептор). В качестве акцепторов электронов используются коферменты NAD+, NADP+, FAD, FMN. К этому подклассу относятся ферменты малатдегидрогеназа (рис. 2.5), изоцитратдегидрогеназа, сукцинатдегидрогеназа, α-кетобутиратдегидрогеназа и др.;

Рис. 2.5. Реакция дегидрирования малата

б) оксидазы - катализируют реакции окисления с участием молекулярного кислорода (рис. 2.6);

Рис. 2.6. Реакция, катализируемая ферментом цитохромоксидазой

в) оксигеназы (гидроксилазы) катализируют реакции окисления путем включения атома кислорода в гидроксильную группу молекулы субстрата. Реакция протекает с участием молекулярного кислорода, один атом которого присоединяется к субстрату, а второй участвует в образовании молекулы воды (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Реакция гидроксилирования фенилаланина.

Коферменты реакции: тетрагидробиоптерин (Н₄БП) и дигидробиоптерин (Н₂БП)

2. Трансферазы - катализируют реакции переноса функциональных групп. В зависимости от переносимой группы подразделяются на подклассы: аминотрансферазы (рис. 2.8), ацилтрансферазы, метилтрансферазы, гликозилтрансферазы, киназы (фосфотрансферазы) (рис. 2.9).

Рис. 2.8. Реакция, катализируемая ферментом АЛТ (Аланин-а-кетоглутаратаминотрансфераза), относящимся к классу трансфераз, подклассу аминотрансфераз.

ПФ - кофермент пиридоксальфосфат

Рис. 2.9. Реакция, катализируемая ферментом протеинкиназа, относящимся к классу трансфераз, подклассу фосфотрансфераз.

АТФ является донором остатка фосфорной кислоты

3. Гидролазы катализируют реакции гидролиза (расщепления ковалентной связи с присоединением молекулы воды по месту разрыва). Разделяются на подклассы в зависимости от субстрата. Названия образуются в зависимости от молекулы субстрата или конкретной гидролизуемой химической связи: протеазы, амилазы, гликозидазы, нуклеазы, эстеразы, фосфатазы и др. Пример схемы реакции гидролиза молекулы белка приведен на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Реакция гидролиза молекулы белка

4. Лиазы - к лиазам относятся ферменты, отщепляющие от субстратов негидролитическим путем определенные группы, такие, как СО₂, Н₂О, NH₂SH₂ и др., или присоединяющие (например, молекулу воды) по двойной связи. Реакция декарбоксилирования (отщепления молекулы CO₂) приведена на рис. 2.11, а реакция присоединения молекулы воды (гидратазная реакция) - на рис. 2.12.

Рис. 2.11. Реакция декарбоксилирования (отщепления молекулы CO₂)

ПФ-кофермент пиридоксальфосфат

Рис. 2.12. Реакция присоединения молекулы воды к фумарату

5. Изомеразы катализируют различные внутримолекулярные превращения (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Реакция, катализируемая ферментом фосфоглюкоизомераза

6. Лигазы (синтетазы) катализируют реакции усложнения молекулы за счет присоединения друг к другу двух молекул с образованием ковалентной связи; при этом используется энергия АТФ или других макроэргических соединений (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Реакция, катализируемая ферментом глутаминсинтетазой