1.2.Коферменты и витамины

Большинство коферментов не синтезируются в организме млекопитающих. Они должны поступать в организм с пищей (как правило, растительной). Однако в организм попадают не сами коферменты, а их предшественники — витамины. В клетке витамины модифицируются до коферментной формы. В настоящее время известно 13 витаминов (Табл. 5 .2), которые подразделяют на два типа: водорастворимые витамины и жирорастворимые витамины.

Табл. 5.2. Витамины, их коферментные формы и катализируемые реакции

Витамин	Коферментная форма	Тип катализируемой реакции
Водорастворимые витамины
Тиамин (В1)	Тиаминпирофосфат	Декарбоксилирование -кетокислот
Рибофлавин (В2)	Флавинмононуклеотид, флавинадениндинуклеотид	Окислительно-восстановительные реакции
Никотиновая кислота	Никотинамидадениндинуклеотид, никотинамидадениндинуклеотидфосфат	Окислительно-восстановительные реакции
Пантотеновая кислота	Кофермент (коэнзим) А	Перенос ацильных групп
Пиридоксин (В6)	Пиридоксальфосфат	Перенос аминогрупп
Биотин	Биотицин	Перенос СО2
Фолиевая кислота	Тетрагидрофолат	Перенос одноуглеродных групп
Витамин В12	Дезоксиаденозилкобаламин	Перенос связанного с углеродом атома водорода на соседний атом углерода
Аскорбиновая кислота (С)	Не известна	Реакции гидроксилирования
Жирорастворимые витамины
Витамин А	Ретиналь	Зрительный процесс
Витамин D	1,25-Дигидроксихолекальциферол	Регуляция обмена Ca
Витамин Е	Не известна	Защита мембранных липидов
Витамин К	Не известна	Реакции декарбоксилирования

1.2.1.Водорастворимые витамины и соответствующие им коферменты

Тиамин (витамин В₁)

Тиамин (структурная формула приведена на Рис. 5 .1, вверху) является предшественником кофермента тиаминпирофосфата (Рис. 5 .1, в середине), который катализирует перенос альдегидной группы с молекулы-донора на молекулу-акцептор. Как и случае большинства других витаминов, превращение витамина в кофермент заключается в присоединении к молекуле витамина «якорной группы», служащей для связывания кофермента с апоферментом. Как правило, в качестве якорной группы клетка использует либо отрицательно заряженный пирофосфат (реже монофосфат), либо комбинацию заряженной и гидрофобной группировок (аденозинпирофосфат).

Рис. 5.1. Тиамин и его коферментные формы.

Одним из примеров ферментативного декарбоксилирования является декарбоксилирование пирувата. Суммарное уравнение реакции приведено на Рис. 5 .2.

Рис. 5.2. Декарбоксилирование пирувата, катализируемое пируватдекарбоксилазой.

Реакция протекает в две стадии. Первоначально промежуточно образуется -гидроксиэтилтиаминпирофостат, который затем переносит альдегидный остаток на молекулу воды.

Рибофлавин (витамин В₂)

Как и в предыдущем случае, превращение витаминной формы (Рис. 5 .3) в коферментную заключается в присоединении якорной групп. Существуют две коферментных формы рибофлавина — флавинмононулеотид (якорная группа — остаток фосфорной кислоты, Рис. 5 .4, слева), сокращенно называемый FMN и флавинадениндинуклеотид (якорная группировка — остаток аденозинпирофосфата, Рис. 5 .4, справа), сокращенно FAD

Рис. 5.3. Рибофлавин (витамин В₂).

Эти коферменты катализируют реакции окисления-восстановления в составе флавиндегидрогеназ. В состав активного центра некоторых флавиндиридрогеназ входят также ионы железа или других металлов. Изоаллоксазиновое кольцо этих коферментов служит переносчиком атомов водорода, отщепляемых от субстрата (Рис. 5 .5).

Рис. 5.4. Коферментные формы рибофлавина — флавинмононуклеотид FMN (слева) и флавинадениндинуклеотид FAD (справа).

Рис. 5.5. Механизм переноса атомов водорода флавиновыми ферментами.

Н иже приведен пример ферментативной реакции дегидрирования сукцината.

Рис. 5.6. Дегидрирование сукцината сукцинатдегидрогеназой. Символ Е обозначает апофермент.

Никотинамид (витамин РР) и его коферментные формы

Строение витамина и его коферментных форм приведено на Рис. 5 .7.

Рис. 5.7. Витамин РР существует в двух витаминных формах (показаны слева) и в двух коферментных формах (справа).

Никотинамидный фрагмент этих коферментов является переносчиком гидрид-иона в реакциях окисления-восстановления (Рис. 5 .8).

Рис. 5.8. Механизм переноса гидрид-иона. Один из атомов водорода субстрата отщепляется с двумя электронами связи и в виде гидрид-иона (Н^–) переносится на окисленную форму коферменты NAD⁺.

Пример ферментативного окисления приведен ниже на Рис. 5 .9.

Рис. 5.9. Ферментативное окисление малата до оксалоацетата с помощью NAD–зависимой малатдегидрогеназы.

Пантотеновая кислота и кофермент А

Пантотеновая кислота и кофермент А представлены на Рис. 5 .10.

Рис. 5.10. Пантотеновая кислота (слева) и кофермент А (справа).

Кофермент А переносит ацильные группы, которые он ковалентно связывает в виде тиоловых эфиров.

Пиридоксин (витамин В₆) и его коферментные формы

Строение витамина В₆ и его коферментных форм показано на Рис. 5 .11.

Рис. 5.11. Пиридоксин (витамин В₆) и его коферментные формы пиридоксаль-5-фосфат и пиридоксамин-5-фосфат.

Пиридоксаль-зависимые ферменты катализируют многие реакции аминокислотного обмена и, в частности, реакции трансаминирования (Рис. 5 .12).

Рис. 5.12. Механизм реакций трансаминирования. Альдегидная форма фермента трансаминазы взаимодействует с глутаминовой кислотой, которая служит универсальным донором аминогруппы с промежуточным образованием основания Шиффа. Таутомерное превращение этого продукта с последующим гидролизом приводит к кетоглутаровой кислоте и аминоформе фермента. Затем аминоформа взаимодействует с другой кетокислотой и по обратной реакции переводит ее в аминокислоту.

Биотин и биоцитин

Биотин (Рис. 5 .13) является переносчиком карбоксильных групп в реакциях ферментативного карбоксилирования.

Рис. 5.13. Биотин (слева) и биоцитин (в середине). Справ приведен пример ферментативного карбоксилирования пирувата пируваткарбоксилазой.

В биотин-зависимых ферментах биотин ковалентно связан с -аминогруппой лизинового остатка полипептидной цепи.

Фолиевая кислота

Коферментная форма фолиевой кислоты, тетрагидрофолат (Рис. 5 .14) является переносчиком одноуглеродных фрагментов. Двухвалентные фрагменты, такие как метиленовая и метенильные группы (Рис. 5 .15), связываются с тетрагирофолатом по N⁵ и N¹⁰ в циклический промежуточный продукт (Рис. 5 .14); одновалентные — только по N⁵.

Рис. 5.14. Фолиевая кислота и ее коферментная форма, тетрагидрофолат. Внизу показан промежуточный продукт с присоединенной метиленовой группой (выделена жирным шрифтом).

Рис. 5.15. Одноуглеродные фрагменты, переносимые тетрагидрофолат-зависимыми ферментами.

Витамин В₁₂ и его коферментная форма

Рис. 5.16. Витамин В₁₂ (цианкобаламин, слева) и его коферментная форма (справа)

Основой витамина В₁₂ и его коферментной формой (Рис. 5 .16) является сложная корриновая циклическая система, схожая с порфириновой системой гема. С корриновой системой координирован ион кобальта. Ферменты, содержащие кофермент В₁₂, обладают способностью осуществлять обмен между связанным с углеродом атомом водорода и группировкой, находящейся при соседнем атоме углерода (см Рис. 5 .17).

Рис. 5.17. Пример реакции обмена группами при соседний атомах углерода, катализируемой В₁₂-зависимым ферментом метиласпартатмутазой.

Аскорбиновая кислота (витамин С)

Рис. 5.18. Строение аскорбиновой кислоты.

Лечебное действие (предотвращает возникновение у людей цинги) аскорбиновой кислоты (Рис.  5 .18) известно давно. Большинство животных и растений могут синтезировать это соединение из глюкозы. Только люди и некоторые другие позвоночные должны получать ее с пищей. Аскорбиновая кислота играет роль кофермента в реакции гидроксилирования пролина до 4-гидроксипролина. Однако до настоящего времени не ясно, является ли это ее единственной или даже главной функцией.