Коферменты — вспомогательные факторы ферментативного катализа¶
Коферменты — низкомолекулярные органические вещества, которые необходимы для работы ферментов (энзимов), но не являются их неотъемлемой белковой частью. В отличие от простетических групп, коферменты связываются с апоферментом обратимо и могут отщепляться, перенося химические функциональные группы между субстратами. Вместе с белковой частью кофермент образует активный фермент — голофермент.
¶Общие сведения
Апофермент сам по себе биологически неактивен. Для формирования активного центра ему требуется кофермент, который участвует в катализе напрямую: переносит атомы или функциональные группы, стабилизирует переходное состояние, обеспечивает доступ катализатора к субстрату. Связь кофермента с белком обычно слабая (нековалентная, водородная или ионная), что позволяет ферменту многократно использовать один и тот же кофермент в циклических реакциях.
По происхождению коферменты делятся на две группы:
- Коферменты-переносчики — производные витаминов (например, коэнзим A, НАД⁺, ФАД). В организме они синтезируются из витаминов пищевого происхождения.
- Коферменты-активаторы — простые ионы металлов (Mg²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺/Fe³⁺, Cu²⁺), которые иногда называют кофакторами неорганического происхождения.
¶Классификация
Коферменты принято разделять на несколько групп по химической природе и функции:
| Кофермент | Производное витамина | Функция |
|---|---|---|
| НАД⁺ / НАДФ⁺ | Ниацин (B₃) | Перенос гидрид-иона в окислительно-восстановительных реакциях |
| ФАД / ФМН | Рибофлавин (B₂) | Перенос электронов в дыхательной цепи |
| Коэнзим A | Пантотеновая кислота (B₅) | Перенос ацильных групп (ацилирование) |
| Тиаминпирофосфат (ТПФ) | Тиамин (B₁) | Декарбоксилирование α-кетокислот |
| Пиридоксальфосфат (ПЛФ) | Пиридоксин (B₆) | Трансаминирование, декарбоксилирование аминокислот |
| Тетрагидрофолат (ТГФ) | Фолиевая кислота (B₉) | Перенос одноуглеродных фрагментов |
| Биотин | Биотин (B₇) | Перенос CO₂ в карбоксилирующих реакциях |
| Кобаламин | Витамин B₁₂ | Перенос метильных и изопренильных групп |
| Убихинон (коэнзим Q) | Не витамин | Перенос электронов в митохондриальной цепи |
| Аденозинтрифосфат (АТФ) | Не витамин | Универсальный донор энергии |
¶Механизм действия
Кофермент выполняет одну из трёх основных ролей в ферментативном катализе:
- Перенос химической группы. Кофермент обратимо связывается с субстратом, принимает на себя функциональную группу и переносит её на другой субстрат. Пример — НАД⁺, принимающий гидрид-ион в реакциях дегидрогеназ.
- Обеспечение каталитического центра. Кофермент участвует непосредственно в катализе, не покидая активный центр (простетическая группа, например биотин в карбоксилазах).
- Стабилизация переходного состояния. Кофермент снижает энергию активации, стабилизируя промежуточные формы субстрата.
Концентрация коферментов в клетке, как правило, значительно ниже концентрации соответствующих ферментов, поэтому скорость метаболических процессов во многом зависит от доступности коферментов. Дефицит витаминов-предшественников коферментов приводит к нарушению работы целых ферментативных систем.
¶Биологическое значение
Коферменты обеспечивают связь между обменом веществ и поступлением витаминов с пищей. Недостаток соответствующих витаминов вызывает характерные заболевания:
- дефицит тиамина → бери-бери;
- дефицит ниацина → пеллагра;
- дефицит рибофлавина → арибофлавиноз;
- дефицит фолиевой кислоты → мегалобластная анемия;
- дефицит витамина B₁₂ → пернициозная анемия.
В медицинской практике коферментные формы витаминов (например, бенфотиамин, метилкобаламин) используются как лекарственные препараты при состояниях, связанных с нарушением их усвоения.
¶Применение
Коферменты находят применение в биотехнологии и промышленной биокатализе. Их используют в составе ферментных систем для синтеза хиральных соединений, в диагностических наборах (определение активности трансаминаз, лактатдегидрогеназы) и в биосенсорах. Искусственные аналоги коферментов разрабатываются как потенциальные лекарственные средства, блокирующие жизненно важные ферменты патогенных микроорганизмов.
¶История
Термин «кофермент» введён немецким биохимиком Вильгельмом Кюне в 1900-х годах для обозначения термостабильной (небелковой) части ферментных систем. В 1930-х годах Ганс Адольф Кребс и другие исследователи установили связь между витаминами и коферментами, а в 1950-х годах были раскрыты структуры НАД⁺ и коэнзима A, что заложило основу современного понимания коферментативного катализа.