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 Zn2+, Fe2+, Mn2+, Cu2+. Ионы щёлочно-земельных 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:
СО + H2O ↔ H2CO3.
Ион Zn2+ в результате электрофильной атаки участвует в образовании Н+ и ОН- ионов из молекулы воды:
Протон и гидроксйльная 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).
Фермент, содержащий ион Сu2+, не вступает в реакцию с молекулой кислорода. При восстановлении Си2+ до Си+ 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 Са2+ служат активаторами фермента протеинкиназы С,
катализирующего реакции фосфорилирования белков (см, раздел 5). Ионы Са2+ также изменяют активность ряда кальций-кальмодулинзависимых ферментов (см. подраздел V).
Б. Коферменты
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 - 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
87
проявлении каталитической функции ферментов.
К коферментам относят следующие соединения:
производные витаминов;
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.
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.