Кокарбоксилаза — кофермент тиаминового обмена¶
Кокарбоксилаза (дифосфотиаминпирофосфат, тиаминдифосфат) — биологически активное вещество, кофермент ряда ферментов, участвующих в реакциях декарбоксилирования α-кетокислот. Представляет собой эфирную форму витамина B1 (тиамина), в которой тиамин связан с двумя остатками фосфорной кислоты. Кокарбоксилаза выполняет ключевую роль в обмене углеводов и энергетическом метаболизме, а также в синтезе ацетил-КоА — центрального метаболита клеточного дыхания.
¶Химическая структура
Молекулярная формула кокарбоксилазы — C₁₂H₁₉N₄O₇P₂S. Молярная масса составляет около 425,3 г/моль. В структуре молекулы выделяют три фрагмента: пиримидиновое кольцо, тиазольное кольцо и пирофосфатную цепь. Именно тиазольное кольцо несёт основную каталитическую функцию — оно образует карбанион, участвующий в промежуточных стадиях ферментативных реакций.
Кокарбоксилаза растворима в воде, устойчива в щелочной среде и разрушается при кислых значениях pH. В организме человека содержится в тканях в связанной с белками форме; общее количество кофермента невелико, но его запасы восполняются из пищи и за счёт синтеза из тиамина.
¶Биосинтез
Образование кокарбоксилазы из пищевого тиамина происходит в клетках с участием фермента тиаминкиназы. Реакция требует затрат энергии в виде АТФ и протекает в два этапа: сначала тиамин фосфорилируется до тиаминмонофосфата, затем происходит второе фосфорилирование с образованием тиаминдифосфата. Основными источниками тиамина в рационе являются крупы, бобовые, хлеб грубого помола, мясо, дрожжи.
¶Ферменты, использующие кокарбоксилазу
Кокарбоксилаза служит коферментом для нескольких важных ферментов:
| Фермент | Реакция | Место локализации |
|---|---|---|
| Пируватдекарбоксилаза | Пируват → ацетальдегид + CO₂ | Дрожжи, некоторые бактерии |
| Пируватдегидрогеназный комплекс | Пируват + КоА + NAD⁺ → ацетил-КоА + CO₂ + NADH | Митохондрии |
| α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс | α-Кетоглутарат → сукцинил-КоА | Митохондрии |
| Ацетолактатсинтаза | Синтез branched-chain аминокислот | Бактерии, растения |
| Бранч-чейн α-кетокислотдекарбоксилаза | Декарбоксилирование кетокислот валина, лейцина, изолейцина | Печень, почки |
Пируватдегидрогеназный комплекс и α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс являются ключевыми точками в цикле Кребса и общем пути окисления углеводов. Нарушение их работы из-за дефицита кокарбоксилазы приводит к накоплению пирувата и лактата в крови и тканях.
¶Роль в обмене веществ
Основная метаболическая функция кокарбоксилазы — перенос «активного» альдегидного фрагмента в реакциях декарбоксилирования. Тиазольное кольцо образует карбанион, который атакует карбонильную группу субстрата, после чего происходит отщепление CO₂ и передача оставшегося фрагмента на следующий акцептор (КоА, липоамид, другой субстрат).
Благодаря этим реакциям кокарбоксилаза обеспечивает:
- переход метаболизма пирувата в цикл Кребса;
- связь гликолиза и цикла Кребса;
- окислительное декарбоксилирование α-кетокислот при распаде аминокислот;
- синтез ацетил-КоА для жирнокислотного обмена и кетогенеза.
¶Дефицит и медицинское значение
Дефицит кокарбоксилазы в организме связан прежде всего с недостатком витамина B1 (тиамина). Классическим проявлением тиаминовой недостаточности является болезнь бери-бери (полиневрит), а также энцефалопатия Вернике и синдром Корсакова. При этих состояниях нарушается углеводный обмен, накапливаются пируват и лактат, страдает нервная ткань и сердечная мышца.
В клинической практике препарат кокарбоксилазы (в виде гидрохлорида) применяется как метаболическое средство. Его назначают при:
- острой и хронической сердечной недостаточности;
- нарушениях ритма сердца;
- тяжёлых интоксикациях, в том числе алкогольной;
- гестозах беременных;
- диабетическом кетоацидозе;
- послеоперационной декомпенсации.
Препарат вводят внутримышечно или внутривенно, в педиатрии — подкожно. Кокарбоксилаза включается в состав ряда комбинированных витаминных препаратов.
¶Кокарбоксилаза в биотехнологии
Ферменты, зависящие от кокарбоксилазы, используются в промышленной микробиологии. Пируватдекарбоксилаза дрожжей применяется при производстве биоэтанола. Ацетолактатсинтаза является мишенью для ряда гербицидов, что обусловлено её отсутствием у млекопитающих и наличием у растений.
¶История
Открытие витамина B1 и его роли в углеводном обмене связано с работами К. Фанка (1911), Х. Эйкмана и К. Фанка по этиологии бери-бери. Химическое строение тиамина было установлено в 1936 году Р. Уильямсом. Коферментная функция тиаминдифосфата в реакциях декарбоксилирования α-кетокислот была описана в 1937—1940 годах в работах Ф. Липмана, Р. Вагнера-Яурегга и других исследователей.
¶Источники
- Воробьёв А. А., Зарубин А. А. Биохимия. — М.: Медицина.
- Строев Е. А., Глазунов В. М. Биохимия. — М.: Высшая школа.
- Малевич В. И., Бекишева Л. Н. Биохимия. — Минск: Вышэйшая школа.
- Медицинская энциклопедия: кокарбоксилаза.