Окислительно-восстановительные коферменты

Кольман ОВ Коферменты

108-109

Метаболизм. Ферменты

Окислительно-восстановительные коферменты

А. Коферменты: функции

Многие ферментативные реакции включают перенос электронов или групп атомов с одного субстрата на другой. В таких реакциях всегда принимают участие вспомогательные соединения (коферменты), которые выполняют функцию промежуточных переносчиков атомов или функциональных групп. Так как эти вещества каталитически не активны, правильнее было бы их называть косубстратами. Ферменты обычно высокоспецифичны к своим субстратам (см. с. 94), коферменты же взаимодействуют со многими ферментами, обладающими различной субстратной специфичностью.

По способам взаимодействия с ферментом различают растворимые коферменты и простатические группы. Растворимый кофермент (1) присоединяется во время реакции к молекуле фермента подобно субстрату, химически изменяется и затем снова освобождается. Первоначальная форма кофермента регенерируется во второй, независимой реакции. Простетической группой (2) называется кофермент, который прочно связан с ферментом и во время реакции его не покидает. Группа, связавшаяся с коферментом, далее переносится на следующий субстрат или другую молекулу кофермента (на схеме 2 не показано).

Б. Окислительно-восстановительные коферменты

Все оксидоредуктазы (см. с. 94) нуждаются в коферменте. Наиболее важные коферменты представлены на схеме. Они могут действовать в растворимой форме (Р) или в виде простетической группы (П). Окислительно-восстановительные реакции, наряду с переносом электронов, часто включают перенос одного или двух протонов. Поэтому обычно принято говорить о переносе восстановительных эквивалентов. Стандартный потенциал Eo' простетической группы (см. с. 24) может значительно отличаться в зависимости от окружения в молекуле фермента.

Пиридиннуклеотиды НАД+ (NAD+) и НАДФ+ (NADP+) (1) широко распространены как коферменты дегидрогеназ. Они переносят гидрид-ион (2е- и 1 H+, см. с. 102) и действуют всегда в растворимой форме. НАД+ передает восстановительный эквивалент из катаболического пути вдыхательную цепь и тем самым участвует в энергетическом обмене. HАДФ+, напротив, является самым важным восстановителем при биосинтезе (см. с. 114).

Флавиновые коферменты ФМН (FMN) и ФАД (FAD) (2, см. с. 86) найдены в дегидрогеназах, оксидазах и монооксигеназах. Обычно оба соединения ковалентно связаны с ферментами. Активной группой обоих коферментов является флавин (изоаллоксазин), имеющий сопряженную систему из трех колец, которая может при восстановлении принимать два электрона и два протона. В ФМН к флавину присоединен фосфорилированный полиол рибит. ФАД состоит из ФМН, связанного с АМФ. Оба соединения являются функционально близкими коферментами.

В липоевой кислоте (3) функцию окислительно-восстановительного центра выполняет внутримолекулярный дисульфидный мостик. Активная липоевая кислота ковалентно связана с остатком лизина (R') молекулы фермента. Липоевая кислота прежде всего участвует в окислительном декарбоксилировании 2-кетокислот (см. с. 136). Дисульфидный мостик также содержится в пептидном коферменте глутатионе (см. с. 278).

Функция убихинона (кофермента Q, 4) как переносчика восстановительного эквивалента в дыхательной цепи будет рассмотрена на с. 142. При восстановлении хинон превращается в ароматический гидрохинон (убихинол). Похожие системы хинон/гидрохинон принимают участие в реакциях фотосинтеза (см. с. 132). К этому классу окислительно-восстановительных систем принадлежат также витамины Е и К (см. с. 352).

Группа гема (5) является окислительно-восстановительным кофактором в дыхательной цепи (см. с. 144), фотосинтезе (см. с. 130), а также в монооксигеназах (см. с. 310) и пероксидазах. В отличие от гемоглобина в этих случаях ион железа меняет валентность. На рисунке показан гем в цитохроме с, ковалентно связанный с двумя остатками цистеина (R2) белка.

110-111

Метаболизм. Ферменты

Коферменты переноса групп

В данном разделе рассматриваются коферменты, участвующие в реакции переноса групп. Кобамид (кофермент В12) будет рассмотрен на с. 356.

А. Коферменты переноса групп

Нуклеозидфосфаты (1) являются не только исходными соединениями в биосинтезе нуклеиновых кислот, они обладают также функциями коферментов, служат для запасания энергии и участвуют в цепи переноса энергии (см. с. 196) в эндоэргических процессах. Метаболические интермедиаты часто становятся реакционноспособными («активированными») при присоединении фосфат содержащих остатков (фосфорилирование). Так, присоединение нуклеозиддифосфатных остатков делает реакционноспособными исходные соединения в синтезе полисахаридов и липидов (см. с. 112). Лигазы катализируют сшивание соединений за счет энергии нуклеозидтрифосфатов.

Остатки жирных кислот активируются путем переноса на кофермент А (2). В коферменте А пантетеин через фосфоангидридную связь присоединен к 3'-фосфо-АДФ. Пантетеин состоит из трех компонентов, связанных амидными связями: пантоевой кислоты, β-аланина и цистеамина, т. е. двух биогенных аминов, образованных путем декарбоксилирования соответственно аспартата и цистеина (см. с. 182). Пантотеновая кислота, образованная из пантоевой кислоты и β-аланина, в организме человека играет роль витамина (см. с. 354). При реакции тиоловой группы остатка цистеамина с карбоновой кислотой образуется тиолсложноэфирная связь, как, например, в ацетил-КоА (ацетил-СоА). Эта реакция высоко эндоэргична и поэтому сопряжена с экзоэргическими процессами. Тиоэфир, каким является ацил-КоА, представляет собой активированную форму карбоновой кислоты, так как образующий ее ацильный остаток может легко переноситься на другую молекулу. Этот принцип часто используется при метаболических превращениях.

Тиаминдифосфат (TPP, 3) активирует альдегиды и кетоны и переносит их в виде гидроксиалкильных групп на другую молекулу. Этот способ переноса важен, например, в транскетолазной реакции (см. с. 154). Гидроксиалкильные остатки участвуют также в декарбоксилировании кетокислот. Они либо высвобождаются в виде альдегидов, либо переносятся на липоамидные остатки, как в случае дегидрогеназ 2-кетокислот (см. с. 128).

Пиридоксальфосфат (PLP) (4) — наиболее важный кофермент в метаболизме аминокислот, его роль при трансаминировании будет подробно рассмотрена на с. 180. Пиридоксальфосфат принимает участие и в других реакциях аминокислот, таких, как декарбоксилирование и дегидратирование. Представленная здесь альдегидная форма в свободном виде не встречается. В отсутствие субстрата альдегидная группа связана с аминогруппой лизинового остатка фермента в виде альдимина («шиффово основание»).

Карбоксилазы содержат в качестве кофермента биотин (5). Он связан амидной связью с боковой цепью лизинового остатка фермента. Биотин реагирует с гидрокарбонатом (НСО3-) в присутствии АТФ с образованием N-карбоксибиотина. Эта активированная форма диоксида углерода может быть перенесена на другую молекулу. Примерами биотинзависимых реакций являются образование оксалоацетата из пирувата (см. с. 156) и синтез малонил-КоА из ацетил-КоА (см. с. 170).

Тетрагидрофолат [ТГФ (THF), 6] является коферментом, который может переносить C1-остатки в различных состояниях окисления. ТГФ образуется из витамина фолиевой кислоты (см. с. 354) двойным гидрированием птеринового кольца. C1-фрагменты присоединяются к N-5, N-10 или к обоим атомам азота. Наиболее важными производными тетрагидрофолата являются:

а) N10-формил-ТГФ, в котором C1-остаток находится в виде карбоксильной группы,

б) N5, N10-метилен-ТГФ, в котором C1-остаток находится в виде альдегида и

в) N5-метил-THF, где C1 находится в виде спирта.

Переносимый ТГФ C1-фрагмент играет важную роль, например, в синтезе пуриновых нуклеотидов (см. с. 190), дезокситимидинмонофосфата (см. с. 192) и метионина (см. с. 406).

Дата добавления: 2015-10-21