Свойства и функции коферментов

Коферменты относятся к сложным органическим веществам, их молекулы значительно меньше по размеру, чем молекулы ферментов. Коферменты могут проникать через биологические мембраны, нагревание обычно не вызывает изменения их структуры.

Кофермент, локализуясь в каталитическом участке активного центра фермента, принимает непосредственное участие в химической реакции, выступая в качестве акцептора и донора химических группировок, атомов, электронов. В ходе реакции кофермент претерпевает химические превращения, в точности противоположные тем, которые происходят в субстрате. Например, в окислительно-восстановительных реакциях молекула субстрата окисляется, а молекула кофермента восстанавливается. При последующих сопряжённых реакциях изменения в коферменте протекают в обратном направлении, и он воспроизводится в первоначальной форме.

Таким образом, кофермент является одним из субстратов ферментативной реакции, т.е. выступает как косубстрат. По происхождению и химическому строению коферменты можно подразделить на следующие группы:

- Производные витаминов (Е, К, Q, С, Н, В₁, В₂, В₆, В₁₂ и др);

- Соединения нуклеотидной природы (NAD, NADP, АТP, CоА, FAD, FMN);

- Гемы (простетические группы цитохромов, пероксидаз);

- Убихинон, иликоэнзим Q(перенос электронов и протонов в дыхательной

- цепи электронов);

- Липоевая кислота;

- Фосфоаденозилфосфосульфат (участвует в переносе сульфата);

- S-аденозилметионин (SАМ) – донор метильной группы);

- Глутатион (трипептид γ–глутамил-цистеинил-глицин участвует в окислительно-восстановительных реакциях).

Небелковая часть сложного фермента может быть представлена также ионами металлов (Mg²⁺, K⁺, Mn²⁺, Ca²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺ и др.). Ферменты, содержащие в своем составе ионы металлов, называются металлоферментами. Например, α-амилаза включает ионы Са²⁺, которые участвуют в стабилизации пространственной структуры фермента. Удаление этих ионов приводит к потере активности фермента. Для некоторых ферментов субстратом служит комплекс превращаемого вещества с ионом металла. Например, для большинства киназ в качестве одного из субстратов выступает не молекула АТP, а комплекс Mg²⁺, АТP. В этом случае ион Mg²⁺, не взаимодействует непосредственно с ферментом, а участвует в стабилизации молекулы АТP и нейтрализации отрицательного заряда субстрата, что облегчает его присоединение к активному центру фермента.

Специфичность ферментов

Способность фермента катализировать определенный тип реакции называют специфичностью. Структура активного центра фермента комплементарна структуре его субстрата. Поэтому фермент из всех имеющихся в клетке веществ выбирает и присоединяет только свой субстрат. Для ферментов характерна специфичность не только по отношению к субстрату, но и в отношении пути его превращения.

У ферментов различают абсолютную, относительную (групповую) и стереохимическую специфичность.

Абсолютная специфичность – избирательная способность фермента катализировать только единственное из возможных превращений одного субстрата. Это можно объяснить конформационной и электростатической комплементарностью молекул субстрата и фермента.

Например, фермент аргиназа катализирует только гидролиз аминокислоты аргинина, фермент уреаза – только расщепление мочевины и не действуют на другие субстраты.

Относительная специфичность (группоспецифичность) – избирательная способность фермента катализировать однотипные превращения сходных по строению субстратов. Такие ферменты оказывают воздействие на одинаковые функциональные группы или на один и тот же тип связей в молекулах субстратов. Так, например, разные гидролитические ферменты действуют на определённый тип связей: амилаза – на гликозидные связи; пепсин и трипсин – на пептидные связи; липаза и фосфолипаза – на сложноэфирные связи. Действие этих ферментов распространяется на большое число субстратов, что позволяет организму обойтись малым количеством пищеварительных ферментов.

Стереохимическая (оптическая) специфичность – избирательная способность фермента катализировать превращение только одного из возможных пространственных изомеров субстрата. Так, большинство ферментов млекопитающих катализирует превращение только L-изомеров аминокислот, но не D-изомеров. Ферменты, участвующие в обмене моносахаридов, наоборот, катализируют превращение только D-, но не L-фосфосахаров. Гликозидазы специфичны не только к моносахаридному фрагменту, но и характеру гликозидной связи. Например, α-амилаза расщепляет α-1,4-гликозидные связи в молекуле крахмала, но не действует на α-1,2-гликозидные связи в молекуле сахарозы.

Изоферменты

Изоферменты (изозимы) – множественные формы ферментов, катализирующие одну и ту же реакцию, но отличающиеся друг от друга по аминокислотному составу, первичной структуре, электрофоретической подвижности, локализации в клетке и органе, сродству к субстрату, кинетическим свойствам. Они выполняют одинаковые биологические функции, но с различной эффективностью, могут присутствовать в разных тканях одного организма, в разных типах клеток одной ткани и даже в одной клетке прокариотического организма, например, в клетках E. coli. Изоферменты играют регуляторную роль в обмене веществ и позволяют метаболизму в разных тканях лучше приспосабливаться к действию внутренних и внешних факторов.

Примером фермента, у которого были обнаружены такие формы, может служить лактатдегидрогеназа, катализирующая обратимое восстановление пирувата в лактат, в которой в роли восстановителя выступает NADH.

Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) присутствует в тканях животных и человека в виде пяти разных изоферментов, которые различаются на уровне четвертичной структуры. Молекула ЛДГ состоит из четырех протомеров двух типов, Н (от англ. heart – сердце) и М (от англ. muscle – мышца), которые различаются по аминокислотному составу и последовательности аминокислот. Каталитической активностью обладает только тетрамерная молекула. Пять изоферментов ЛДГ имеют следующий полипептидный состав: ЛДГ₁ – (Н₄); ЛДГ₂ – (Н₃М); ЛДГ₃ – (Н₂М₂); ЛДГ₄ – (НМ₃); ЛДГ₅ – (М₄) (Рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Субъединичный состав (а) и распределение в клетках и органах изоформ лактатдегидрогеназы (б).

Различные ткани человека имеют свои характерные изоферментные спектры. В сердечной мышце и почках наиболее высокой активностью обладают изоферменты ЛДГ₁ и ЛДГ₂. В печени и скелетной мускулатуре максимальны ЛДГ₅. В селезенке, поджелудочной железе, щитовидной железе, надпочечниках – ЛДГ₃.

В тканях, в которых преобладает аэробный распад глюкозы, присутствуют обычно ЛДГ₁ и ЛДГ₂, для которых характерно низкое сродство к пирувату. Поэтому они не могут эффективно конкурировать за пировиноградную кислоту с пируватдегидрогеназным комплексом. В результате пируват подвергается преимущественно окислительному декарбоксилированию и образующийся в этой реакции ацетил-CоА «сгорает» в цикле трикарбоновых кислот. В тканях, где доминирует анаэробный гликолиз, присутствуют изоферменты с высоким сродством к пирувату: ЛДГ₄ и ЛДГ₅. В них пируват расходуется преимущественно в лактатдегидрогеназной реакции.

Активные центры ферментов

Участок молекулы фермента, который предназначен для специфического связывания субстрата, называется активным центром. Активный центр – это уникальная комбинация аминокислотных остатков в молекуле фермента, обеспечивающая непосредственное его взаимодействие с молекулой субстрата и принимающая прямое участие в акте катализа. У сложных ферментов в состав активного центра входит также кофактор.

В активном центре условно различают каталитический участок, непосредственно вступающий в химическое взаимодействие с субстратом и участок связывания, который обеспечивает специфическое сродство к субстрату и формирование его комплекса с ферментом. Несмотря на огромное разнообразие структуры ферментов, их специфичности и механизма действия, существует ряд общих закономерностей формирования активных центров:

1) на активный центр приходится относительно малая часть объёма фермента (5-10 аминокислотных остатков). Роль остальных аминокислот, составляющих основную массу фермента, состоит в том, чтобы обеспечить молекуле фермента правильную конформацию для оптимального протекания химической реакции;

2) активный центр – это сложная трёхмерная структура, в образовании которой принимают участие группы, принадлежащие разным частям линейной последовательности аминокислот. Радикалы аминокислот, образующих активный центр, оказываются вблизи друг от друга в результате формирования третичной структуры белка (рис. 5.1). Поэтому при воздействии физических и химических факторов, вызывающих денатурацию (нагревание, концентрированные кислоты и щёлочи) утрачивается конформация активного центра и фермент теряет свою активность;

Рисунок 5.1 – Аминокислотные остатки, образующие активный центр лизоцима (А) принимают участие во взаимодействии с субстратом. Схематическое представление первичной структуры лизоцима показывает, что активный центр фермента построен из аминокислотных остатков, которые в полипептидной цепи расположены далеко друг от друга (В).

3) активный центр имеет форму узкого углубления или щели, в которую ограничен доступ воде, за исключением тех случаев, когда вода является одним из реагирующих веществ. В этом углублении присутствует несколько полярных аминокислотных остатков, необходимых для связывания субстрата и катализа;

4) в составе активного центра можно условно выделить две части: а) контактный или якорный участок, где происходит связывание субстрата в нужной ориентации; б) каталитический участок, обеспечивающий протекание реакции. Четкую грань между каталитическим и субстратным центром провести можно не всегда – у некоторых ферментов они совпадают или перекрываются (Рис. 5.2).

Рисунок 5.2 – Структура активного центра химотрипсина. Показаны принципиально важные для катализа остатки Ser195 и His 57.

5) размеры ферментов намного превышают размеры их низкомолекулярных субстратов;

6) субстраты относительно слабо связываются с ферментами.

В связывании и превращении субстрата принимают участие следующие группировки аминокислотных радикалов:

- полярные заряженные: карбоксильные группы глутамата и аспартата, аминогруппы лизина; гуанидиновые группы аргинина; имидазольные группы гистидина;

- полярные незаряженные: гидроксильные группы серина и треонина; сульфгидрильные группы цистеина; фенольные группы тирозина;

- неполярные группы: углеводородные цепи алифатических аминокислот; ароматические кольца фенилаланина и триптофана.

У сложных ферментов в формировании активных центров принимают участие также функциональные группы коферментов.

В образовании фермент-субстратных комплексов принимают участие такие же взаимодействия, как и те, что обеспечивают формирование пространственной структуры макромолекул, межклеточных контактов и других процессов в биологических системах:

- водородные связи между полярными незаряженными группировками субстрата и фермента;

- ионные связи между противоположно заряженными группировками субстрата и фермента;

- гидрофобные взаимодействия между неполярными группировками субстрата и фермента.

Эти три основных типа нековалентных взаимодействий различаются по своей геометрии, энергии, специфичности.