Строение и функции отдельных коферментов и простетических групп

В качестве небелковых частей ферментов может функционировать большое число органических и неорганических (ионы металлов) веществ. Все их разнообразие принято условно делить на группы. Существует несколько различных принципов классификации небелковых частей.

По химизму они могут быть условно подразделены на 4 группы:

1) нуклеотидного типа строения,

2) витамины и их производные,

3) металлы и металлсодержащие небелковые части,

4) другие небелковые части.

Небелковые компоненты ферментов имеют сравнительно небольшую молекулярную массу и в отличие от апофермента являются гермостабильными.

Небелковые части нуклеотидного типа строения.
Никотинамидные коферменты. К никотинамидным коферментам относятся НАД⁺ (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ⁺ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Молекулы НАД⁺ и НАДФ⁺ состоят из двух гетероциклов — пиридинового и пуринового, соединенных цепочкой из двух остатков моносахарида рибозы и остатка пирофосфорной кислоты.

В составе этих коферментов содержится витамин РР, поэтому они могут быть отнесены и к группе коферментов — производных витаминов. НАДФ⁺ отличается от НАД+ тем, что содержит еще один остаток ортофосфата, связанный с С—2 рибозы аденозиновой части. НАД⁺ и НАДФ⁺ — типичные коферменты, так как непрочно связаны с белком и в цикле биохимических реакций переходят от одного фермента к другому.

Никотинамидные коферменты функционируют в составе большого числа дегидрогеназ. Кофермент связан с белком за счет электростатических связей и гидрофобных взаимодействий. НАД⁺ и НАДФ⁺ - содержащие дегидрогеназы катализируют перенос гидридиона (Н~) от субстрата к никотинамидной части молекулы кофермента, при этом в среду переходит протон:

Восстановленные НАД и НАДФ не имеют заряда на азоте пиридинового кольца и содержат присоединенный от субстрата водород в пиридиновом кольце в положении 4. Образовавшиеся в результате переноса гидридиона НАДН и НАДФН теряют сродство к апоферменту и отделяются от дегидрогеназы. Восстановленные коферменты затем окисляются путем переноса электронов и протонов к акцептору, связанному со вторым ферментом. Таким образом, НАД⁺ и НАДН, так же как НАДФ⁺ и НАДФН, функционируют циклически и участвуют в дисмутациях, т. е. в восставлении одного метаболита другим.

В живых организмах большая часть НАД находится в окисленной форме, а НАДФ — в восстановленной, что связано с различной ролью этих коферментов в метаболизме. Окислительно-восстановительные ферменты, участвующие в снабжении клетки энергией, являются НАД⁺ - зависимыми, а ферменты, катализирующие реакции восстановительных синтезов, используют НАДФН. НАДФН требуется для восстановительного биосинтеза большинства клеточных компонентов; в растениях он участвует и в синтезе глюкозы из С0₂ за счет световой энергии. Меньшую роль в процессах биосинтеза играет НАДН.

Переход НАД⁺ и НАДФ⁺ в восстановленное состояние сопровождается изменением спектра поглощения в УФ-области. Если окисленные формы коферментов имеют одну узкую полосу поглощения с максимумом при 260 нм, то у восстановленных появляется еще один пик с максимумом при 340 нм. На этом свойстве никотинамидных коферментов основан широко распространенный метод спектрофотометрического определения активности НАД⁺- и НАДФ⁺ -зависимых дегидрогеназ.

Хорошо изученными к настоящему времени дегидрогеназами являются ЛДГ (лактатдегидрогеназа), МДГ (малатдегидрогеназа), АДГ (алкогольдегидрогеназа), глицеральдегидфосфатдегидрогеназа.

В настоящее время показано, что НАД⁺ как кофермент участвует и в таких реакциях, где не используются его окислительно-восстановительные свойства, например, он необходим при работе ДНК-лигазы из Е. coli, катализирующей образование фосфодиэфирной связи.

Флавиновые простетические группы. К этой группе принадлежат ФМН (флавинмононуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид). Оба эти соединения можно одновременно рассматривать и как производные витамина В₂ (рибофлавин).

ФМН не является типичным нуклеотидом, так как содержит не рибозу, а спирт рибит, не образующий гликозидной связи. Азотистым основанием служит демитилизоаллоксазин, неотносящийся к производным пурина или пиримидина. Оба флавиновых нуклеотида прочно связаны с белковыми частями ферментов, иногда даже ковалентно, поэтому их называют простатическими группами.

ФМН и ФАД функционируют в составе ряда окислительно-восстановительных ферментов (флавопротеинов). В настоящее время известно около 80 флавиновых ферментов, большинство из них в качестве небелковой части содержит ФАД. Рабочей частью флавинов является изоаллоксазиновое кольцо, способное в окисленной форме принимать на себя два атома водорода.

Окисленные флавопротеины имеют три максимума поглощения: при 280, 350—380 и 450 нм. При восстановлении почти полностью исчезает полоса поглощения в видимой области спектра (450 нм), обусловливающая желтую окраску флавопротеинов, кроме того, происходит частичное уменьшение поглощения при 280 и 350— 380 нм.

Глюкозооксидаза, как и некоторые другие флавопротеины, аутооксидабельна, т. е. способна передавать отщепляемый от субстрата водород непосредственно на молекулярный кислород, минуя цепь переноса электронов с образованием пероксида воророда, такие ферменты относятся к оксидазам.

Образующийся Н₂0₂ или используется в качестве окислителя несколькими пероксидазами или расщепляется каталазой.

Нуклеозидтрифосфаты и НДФС. АТФ и другие нуклеозидтрифосфаты (ГТФ, УТФ, ЦТФ) являются коферментами фосфотрансфераз, которые катализирут перенос фосфатного остатка от нуклеозидтрифосфатов на другие соединения с активацией последних. В некоторых случаях активация осуществляется путем переноса пирофосфатной, аденозиновой или аденозинмонофосфатной части молекулы АТФ. Например, перенос пирофосфата — двух фосфатных остатков от АТФ — имеет место при образовании тиаминдифосфата (ТДФ) — фосфорилированной формы витамина В₁, перенос аденозинмонофосфата (АМФ) — в процессе активации аминокислот при биосинтезе белка, перенос аденозильного остатка (аденин — рибоза) осуществляется на соединения типа R — S — СНз, в частности, на аминокислоту метионин. Последняя реакция приводит к синтезу активной формы метионина: S-аденозилметионина, у которого метальная группа обладает повышенной реакционной способностью.

НООС—CHNH₂ -(CH2)₂-S-CH₃ + АТФ + Н₂0

Метионин

НООС—CHNH₂ - (CH₂)₂—S⁺—СН₃ + Н₃РО₄ + Н₄Р₂О₇

аденозин

S-Аденозилметионин

Нуклеозиддифосфатсахара (НДФС) участвуют как коферменты гликозилтрансфераз в реакциях переноса моносахаридных остатков при биосинтезе олиго- и полисахаридов.

Нуклеотидная часть в КоА служит «ручкой», с помощью которой кофермент присоединяется к белку, другая часть молекулы, имеющая длину 1,9 нм, оканчивается важной для функционирования SH-группой.

Для КоА наиболее характерно участие в реакциях активации и переноса ацетильных групп, однако он может осуществлять перенос и других кислотных групп, поэтому его еще называют коферментом ацилирования. Ацильные группы присоединяются к сере в составе КоА, богатой энергией тиоэфирной связью. Кислотный остаток при этом активируется. Синтез ацетилкоэнзима А (ацетил-КоА) из ацетата и КоА происходит у млекопитающих в печени и нервной ткани за счет энергии АТФ, при участии фермента ацетаттиокиназы.

КоА входит в состав пируватдегидрогеназной и α-кетоглутарат-дегидрогеназной систем, катализирующих процесс окислительного декарбоксилирования соответствующих кетокислот. Как кофермент КоА действует и в составе тиокиназы жирных кислот, осуществляющей реакцию их активации перед β-расщеплением Ацетил-КоА в свою очередь является коферментом ацетилтрансфераз, катализирующих реакции биологического ацетилирования, присоединения ацетильных групп (СН3СО—) к другим молекулам. Ацетил-КоА участвует в таких биохимических процессах, как синтез жирных кислот и стероидов из углеводов, осуществляет ацетилирование при синтезе ацетилхолина и ацетиламиносахаров,

Другие небелковые части ферментов.Липоевая кислота. Как кофермент липоевая кислота участвует в окислительном декарбоксилировании α-кетокислот. Липоевая кислота ковалентно связана амидной связью с ε-NH₂-rpynnoй лизин в составе апофермента.

Глутатион. Данный трипептид служит коферментом для ряда изомераз непредельных соединений и выполняет эту роль при внутримолекулярном переносе водорода (дисмутация). Глутатион участвует, например, в реакции изомеризации производных малеиновой кислоты в производные фумаровой кислоты, т. е. осуществляет процесс цис-транс-изомеризации. Глутатион является также коферментом при окислении формальдегида в формиат. Этот трипептид входит в состав ДДТ-дехлоргидразы, отщепляющей НСl от инсектицида и участвующей в его детоксикации. Высокая активность данного фермента характерна для насекомых.