Коферменты

Коферменты (синоним коэнзимы) — органические соединения небелковой природы, необходимые для осуществления каталитического действия многих ферментов. Соединяясь с белковой частью молекулы фермента — апоферментом, К. образуют каталитически активный комплекс — холофермент. Прочно связанные с белками К. называются простетическими группами. Многие К. легко отделяются от ферментного белка и служат переносчиками электронов, отдельных атомов или групп атомов субстрата, превращение которого катализирует данный фермент, т.е. функционируют в качестве промежуточных акцепторов. К. могут участвовать в активировании молекул субстратов, образуя с ними реакционно-способные соединения, которые затем подвергаются ферментативному превращению. Некоторые метаболиты, выступающие в ферментативных реакциях как обычные субстраты, в определенных условиях могут выполнять роль К. Многие К. являются производными витаминов, поэтому нарушение обмена веществ при витаминной недостаточности опосредовано через понижение активности определенных ферментов. Коферменты, как правило, термостабильны, разнообразны по химическому строению и механизму действия. Наиболее распространенную группу составляют соединения нуклеотидной природы, а также К., содержащие остатки фосфорной кислоты. Адениловые нуклеотиды наряду с их ключевой ролью в обмене энергии (см. Макроэргические соединения, Обмен веществ и энергии) в качестве К. участвуют в реакциях переноса и активации орто- и пирофосфатных остатков, аминоацильных групп, остатков неорганических кислот. В группу адениловых нуклеотидов входят аденозинфосфорные кислоты — нуклеотиды, содержащие аденин, рибозу и остатки фосфорной кислоты (АДФ и АМФ). В подобных реакциях могут участвовать в качестве К. также производные инозин-5-фосфорной и гуанозин-5-фосфорной кислот.

Гуаниловые рибонуклеотиды (гуанозин-5-моно-, ди- и трифосфорные кислоты) выполняют роль К. в реакциях переноса сукцинильной группы, при биосинтезе рибонуклеопротеинов в микросомах, биосинтезе адениловой кислоты из инозиновой кислоты и др. Цитидиловые рибонуклеотиды (цитидил-5-моно-, ди- и трифосфорные кислоты) играют роль К. при биосинтезе фосфолипидов, участвуя в переносе остатков, образующих полярные «головки» молекул фосфолипидов (0-фосфоэтанолхолина, 0-фосфоэтаноламина и др.). Уридиловые рибонуклеотиды (уридин-5-моно, ди- и трифосфорные кислоты) участвуют в качестве К. в процессах трансгликозилирования (переноса остатков простых сахаров и их производных) при биосинтезе ди- и полисахаридов, гликозаминогликанов и реакциях взаимопревращения сахаров. К важнейшим К. нуклеотидной природы относятся никотинамидные К. никотинамидадениндинуклеотид (НАД, NAD+; синоним: дифосфопиридиннуклеотид, ДПН; устаревшее кофермент I, Kol, козимаза, кодегидр (оген)аза I] и его фосфорилированное производное никотинамидадениндинуклеотидфосфат [НАДФ, NADP+; синоним: трифосфопиридиннуклеотид, ТПН; устаревшее кофермент II, KoII, фосфокозимаза, фосфокодегидр(оген)аза]. Никотинамидные К. входят в состав ряда дегидрогеназ — катализаторов ключевых окислительно-восстановительных реакций энергетического и пластического обмена.

Молекула НАД представляет собой динуклеотид, построенный из аденинрибонуклеотида и никотинамидрибонуклеотида (последний отвечает за проявление каталитической активности НАД), связанных фосфоангидридным мостиком, а НАДФ имеет третий остаток фосфорной кислоты в положении 2 рибозы аденилового нуклеотида. Способность НАД и НАДФ переносить электроны и протоны от окисляемого субстрата к другому акцептору обеспечивает выполнение этими К. важной биологической функции в процессе клеточного дыхания (см. Дыхание тканевое). Окислительно-восстановительные реакции, протекающие с участием никотинамидных К., могут быть изображены в виде общего уравнения; АН2 + НАД(Ф)+ = А + НАД(Ф)Н + Н+, где АН2 восстановленная форма субстрата. А — окисленная форме субстрата. Эти реакции состоят в обратимом переносе двух восстановительных эквивалента от субстрата к окисленному никотинамидному К. Один восстановительный эквивалент присутствует в восстановленном К. в виде атома водорода, другой — в виде электроне, при этом катион второго атома водорода переходит в среду а виде свободного Н+. Обнаружено около 350 НАД(Ф)-зависимых дегидрогеназ, как правило, специфичных в отношении либо НАД, либо НАДФ. Обычно связь никотинамидных и других нуклеотидных К. с белками легко диссоциирует. НАД-зависимые дегидрогеназы участвуют преимущественно в процессах катаболизма (например, в клеточном дыхании), в НАДФ-зависимые — главным образом в анаболических процессах (восстановительных биосинтетических реакциях).

Содержание никотинамидных К., соотношение между их окисленными и восстановленными формами (НАДН и НАДФН), к также величию отношения НАД/НАДФ являются показателями активности метаболических процессов в ткани, характеризуют ее функциональное состояние. В организме НАД и НАДФ синтезируются из никотиновой кислоты (ниацина, или витамина РР) или никотинамида, поэтому недостаточность ниацина ведет к нарушению биосинтеза никотинамидных коферментов. Определение этих К. производят обычно спектрофотометрически (по характерному поглощению окисленных форм при 260 нм восстановленных форм или при 340 нм), флюориметрически (длина волны возбуждения 340 нм, флюоресценции 480 нм) или потенциометрически. Флавиновые нуклеотиды, или флавиновые К. (флавинмононуклеотид, ФМН, 5-фосфорный эфир рибофлавина.; флавинадениндинуклеотид, ФАД, рибофлавин-5-аденозиндифосфат), являются К. так называемых флавопротеинов — ферментов, широко распространенных в живых клетках, принимающих участие в обмене основных классов органических соединений и играющих важную роль в процессе биологического окисления (см. Дыхание тканевое). К флавиновым К. относится рибофлавин (витамин В2), недостаточность которого приводит к нарушению нормального функционирования флавинзависимых ферментов. В окисленном состоянии флавиновые К. имеют интенсивный желтый цвет, в восстановленном состоянии они бесцветны. Как правило, ФМН и ФАД прочно связаны с соответствующими белками-апоферментами. Флавопротеины (ферменты, коферментами которых являются производные флавинов) принадлежат к дыхательным ферментам класса оксидоредуктаз.

Механизм окислительно-восстановительных реакций, катализируемых ими, обусловлен последовательным окислением и восстановлением флавиновых коферментов. Ряд ферментов (например, монооксигеназы) наряду с флавиновыми используют и никотинамидные К. Определение флавиновых К. проводят спектрофотометрически или флюориметрически в характерных для них областях поглощения при определенных длинах волн. Кофермент А (КоА, восстановленная форма KoASH; синоним коэнзим А) — соединение аденозин-3,5-фосфорной кислоты и b-меркаптоэтиламида пантотеновой кислоты, образующее с остатками органических кислот (R) тиоэфиры типа R—СО—SKoA. Играет роль К. в переносе и активировании кислотных остатков в реакциях ацилирования, конденсации, оксидоредукции или гидратации органических кислот. КоА участвует в клеточном дыхании, биосинтезе и окислении жирных кислот, синтезе стероидов. Для нормального синтеза КоА необходимо адекватное поступление в организм пантотеновой кислоты, входящей в состав КоА. Кофермент В12 (КоВ12, витамин В12) — a-(5,6-диметилбензимидазолил)-кобаламинцианид является коферментом ферментов, участвующих в переносе одноуглеродных фрагментах, обмене метионина и других соединений. Недостаток в рационе витамина В12, вызывающий в организме дефицит кофермента В12, клинически проявляется мегалобластной гиперхромной анемией, ее так называемой нутритивной (алиментарной) В12-дефицитной формой. Эндогенная недостаточность витамина В12 вследствие нарушения всасывания этого витамина в кишечнике также приводит к дефициту кофермента В12, клинически проявляющемуся одной из форм мегалобластной гиперхромной анемии — пернициозной (В12-дефицитной) анемией, или анемией Аддисона — Бирмера. Пиридоксальфосфат и его производные являются простетическими группами ряда ферментов, участвующих в обмене аминокислот (реакциях трансаминирования, декарбоксилирования и др.), а также фермента гликогенфосфорилазы.

При недостаточном поступлении в организм пиридоксальфосфата — производного витамина В6 — нарушаются функции пиридоксальзависимых ферментов. Дифосфотиамин является коферментом кетолаз и транскетолаз — ферментов, участвующих в декарбоксилировании a-кетокислот и расщеплении углеродной цепи фосфорилированных сахаров, и представляет собой производное витамина В1 (тиамина). Менее распространены К. пептидной природы, важнейшим представителем которых является глутатион (CSH, ГSH, окисленный глутатион — CSSC или ГSSГ) — u-L-глутамил-L-цистеинил-L-глицин, который принимает активное участие во многих окислительно-восстановительных реакциях и обеспечивает функционирование ряда SH-зависимых ферментов. Наиболее важной функциональной группой восстановленной формы глутатиона является сульфгидрильная (SH-) группа, которая легко подвергается ферментативному или неферментативному окислению с образованием дисульфидной (окисленной) формы глутатиона, состоящей из двух молекул восстановленного глутатиона (Г—S— S—Г). Таким образом глутатион функционирует как переносчик водорода. Глутатион принимает прямое участие в некоторых реакциях цис-транс-изомеризации, является коферментом системы глиоксилазы, формальдегид-дегидрогеназы, глутатионпероксидазы. С генетически обусловленным нарушением обмена глутатиона связан ряд наследственных болезней, в т.ч. наследственные гемолитические анемии. Определение глутатиона производят колориметрически и ферментативными методами с применением глутатионпероксидазы и глутатионредуктазы.

Липоевая (тиоктовая) кислота — насыщенная серосодержащая жирная кислота — входит в качестве одного из К. в состав мультиферментных комплексов, осуществляющих декарбоксилирование a-кетокислот (пировиноградной, a-кетоглутаровой кислот). Выполняет роль промежуточного акцептора водорода и кислотных остатков за счет своей способности к обратимому восстановлению (переход S—S®SH). Витамины К — жирорастворимые соединения, производные нафтохинона — играют роль К. в реакциях системы свертывания крови. Их водорастворимый аналог — викасол — применяют в медицине в качестве лекарственного средства. Биотин (витамин Н) — водорастворимый витамин — выступает в качестве К. (простетической группы) в составе ряда ферментов, катализирующих реакции карбоксилирования — декарбоксилирования некоторых органических кислот, например пируваткарбоксилазы и ацетил-КоА-карбоксилазы — ферментов начальных этапов глюконеогенеза и синтеза липидов соответственно. В активном центре молекулы карбоксилаз биотин прочно связан амидной связью с e-аминогруппой остатка лизина фермента. См. также Ферменты.

Библиогр.: Диксон М. и Уэбб Э. Ферменты, пер. с англ., т. 1—3, М., 1982; Коферменты, под ред. А.А. Яковлева, М., 1973.