Коферменты и кофакторы
Большинство ферментов для проявления ферментативной активности нуждается в низкомолекулярных органических соединениях небелковой природы (коферментах) или ионах металлов (кофакторах).
Многие ферменты оказывают каталитическое действие на субстраты только в присутствии специфического термостабильного низкомолекулярного органического соединения - кофермента. В таких случаях холофермент (каталитически активный комплекс) состоит из апофермента (белковая часть) и связанного с ним кофермента. Кофермент может быть связан с апоферментом ковалентными или нековалентными связями. Термин «простетическая группа» относится к ковалентно связанному коферменту. К числу реакций, требующих присутствия коферментов, относятся окислительно-восстановительные реакции, реакции переноса групп и изомеризации, а также реакции конденсации (по системе IUB это классы 1, 2, 5 и 6). Реакции расщепления, например гидролитические реакции, катализируемые пищеварительными ферментами, протекают в отсутствие кофермента (по системе IUB это классы 3 и 4). Коферменты как вторые субстраты
Кофермент можно рассматривать как второй субстрат, или косубстрат, по двум причинам. Во-первых, в ходе реакции кофермент претерпевает химические изменения, в точности противоположные изменениям, которые происходят в субстрате. Например, в окислительно-восстановительных дегидрогеназных реакциях молекула субстрата окисляется, а молекула кофермента восстанавливается.
Подобным же образом в реакциях переаминироания пиридоксальфосфат выступает как второй субстрат в двух сочетанных реакциях и как переносчик аминогруппы между различными α-амино- и α-кетокислотами. Вторая причина, по которой кофермент можно считать равноправным участником реакции, заключается в том, что именно его участие может иметь фундаментальное физиологическое значение. Например, работа мышцы в анаэробных условиях сопровождается превращением пирувата в лактат. Но в этом случае важны совсем не лактат и не пируват: предназначением реакции является превращение NADH в NAD+. В отсутствие NAD+ гликолиз продолжаться не может и анаэробный синтез АТР (а, следовательно, и работа мышцы) прекращается. Восстановление пирувата до лактата в анаэробных условиях обеспечивает окисление NADH в NAD+, необходимый для синтеза АТР. Функцию образования NAD+ могут выполнять и другие реакции. Значение этого процесса становится очевидным, если перейти от животных к другим формам жизни. У бактерий и дрожжей, растущих в анаэробных условиях, вещества, образующиеся из пирувата, служат окислителями для NADH, при этом сами они восстанавливаются.
Системы анаэробной регенерации NAD
Окислитель |
Восстановленный продукт |
Организмы, ткани |
Пируват |
Лактат |
Мышцы, гомо- ферментативные молочнокислые бактерии |
Ацетальдегид |
Этанол |
Дрожжи |
Дигидроксиацетонфосфат |
а-Глицсрофосфат |
Е. coli |
Фруктоза |
Маннитол |
Гетероферментативные молочнокисые бактерии |
Более 25% всех ферментов для проявления каталитической активности нуждается в ионах металлов.
1. Ионы металлов выполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента, а именно, третичной и четвертичной структур. Например, для большинства киназ в качестве одного из субстратов выступает не АТФ, а комплекс АТФ с магнием. Магний не взаимодействует с ферментом, а участвует в стабилизации молекулы АТФ и нейтрализации отрицательного заряда субстрата, что облегчает его присоединение к активному центру фермента.
2. 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. Это магний, марганец, цинк, кобальт, молибден. В отсутствие металла ферменты активностью не обладают.
3. Ионы металлов обеспечивают сохранение вторичной, третичной и 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 рН и температуры. Таким образом, ионы металлов выполняют функцию стабилизаторов оптимальной конформации белковой молекулы.
4. Не менее важную роль отводят ионам металлов в осуществлении ферментативного катализа. Эту функцию выполняют цинк, железо, марганец, медь.
5. ионы металлов могут участвовать в переносе электронов.