Коэнзимы: строение, функции и биологическая роль¶

Коэнзим (от лат. co- — «вместе» и «энзим»; также кофермент) — низкомолекулярное органическое соединение небелковой природы, которое связывается с ферментом (апоферментом) и необходимо для проявления его каталитической активности. В отличие от белковой части фермента, коэнзим обычно непрочно связан с ней и может легко отделяться, а в ряде случаев — переходить от одного фермента к другому. Термины «коэнзим» и «кофермент» в биохимии часто употребляются как синонимы, хотя исторически первое понятие применялось к небольшим молекулам-переносчикам, а второе — к любой небелковой части сложного фермента.

¶Общее понятие и место в биохимии

Многие ферменты построены по двухкомпонентной схеме: белковая часть (апофермент) определяет специфичность реакции и субстрата, а небелковая (кофактор) обеспечивает саму химию превращения. Кофакторы делятся на две группы:

• ионы металлов (Zn²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Mn²⁺) — часто прочно встроены в активный центр;
• коэнзимы — органические молекулы, среди которых встречаются как сравнительно простые (аскорбиновая кислота), так и сложные (производные витаминов, нуклеотидов).

Если кофактор связан с белком ковалентно и не отделяется, его называют простетической группой. Если же он присоединяется непрочно и может диссоциировать, говорят о собственно коэнзиме. Например, гем в гемоглобине и цитохромах — простетическая группа, а НАД⁺ в дегидрогеназах — типичный коэнзим.

¶История изучения

Представление о коферментах сформировалось в начале XX века. В 1904 году английский химик Артур Харден обнаружил, что кипячение дрожжевого экстракта лишает его способности вызывать брожение, но добавление прокипячённого и профильтрованного экстракта восстанавливает процесс. Это показало, что для брожения нужен термостабильный низкомолекулярный компонент, который был назван «козимазой». Позднее он был идентифицирован как НАД (никотинамидадениндинуклеотид).

В 1920–1930-е годы Ханс фон Эйлер-Хельпин и другие исследователи выделили ряд коферментов в чистом виде и установили их связь с витаминами. Окончательно концепция «кофермент — производное витамина» закрепилась после работ Отто Варбурга, описавшего НАДФ и флавиновые коферменты. За исследования в этой области фон Эйлер-Хельпин получил Нобелевскую премию по химии в 1929 году.

¶Классификация и примеры

Коэнзимы удобно классифицировать по типу химической группы, которую они переносят.

Отдельно выделяют АТФ — универсальный переносчик энергии, который в ряде реакций выступает как донор фосфатных групп, и убихинон (коэнзим Q) — липофильный переносчик электронов в дыхательной цепи митохондрий.

¶Функции в организме

Основная роль коэнзимов — участие в переносе химических групп и электронов между молекулами. Это делает возможными ключевые метаболические процессы:

• Клеточное дыхание. НАД⁺ и ФАД принимают электроны в цикле Кребса и передают их в дыхательную цепь, где синтезируется АТФ.
• Окислительно-восстановительные реакции. НАДФН служит источником восстановительных эквивалентов в биосинтезе жирных кислот и стероидов.
• Метаболизм жиров. КоА переносит ацильные остатки, обеспечивая β-окисление жирных кислот и их синтез.
• Обмен аминокислот. Пиридоксальфосфат катализирует переаминирование и декарбоксилирование аминокислот.
• Синтез нуклеотидов. Тетрагидрофолат участвует в переносе одноуглеродных групп при построении пуринов и пиримидинов.
• Детоксикация. Глутатион и НАДФН поддерживают восстановительный потенциал клетки и обезвреживают активные формы кислорода.

¶Связь с витаминами

Большинство водорастворимых витаминов группы B выполняют в организме именно коферментную функцию. Это объясняет, почему их недостаток быстро приводит к нарушению обмена веществ: без коэнзима соответствующие ферменты теряют активность. Так, дефицит тиамина вызывает болезнь бери-бери, недостаток никотиновой кислоты — пеллагру, а нехватка рибофлавина — поражения кожи и слизистых. Жирорастворимые витамины (A, D, E, K) действуют иначе: они не являются коэнзимами в строгом смысле, а выполняют гормоноподобные, антиоксидантные или иные функции.

¶Коэнзим Q10

Отдельного упоминания заслуживает убихинон, или коэнзим Q10. Это липофильная молекула, встроенная в мембрану митохондрий, где она переносит электроны между комплексами дыхательной цепи. Коэнзим Q10 синтезируется в организме и поступает с пищей. Его применяют в составе биологически активных добавок, однако клинические данные о пользе таких добавок для здоровых людей остаются неоднозначными, а убедительные доказательства эффективности получены лишь для отдельных редких состояний, связанных с наследственным дефицитом этого соединения.

¶Значение в науке и практике

Изучение коэнзимов лежит в основе понимания клеточного метаболизма, биоэнергетики и действия многих лекарств. Ряд препаратов (например, метотрексат) работает как антиметаболит фолиевой кислоты, блокируя синтез нуклеотидов в быстро делящихся клетках. Ингибиторы ферментов, зависящих от коэнзимов, применяются в терапии инфекций, опухолей и аутоиммунных заболеваний. Кроме того, коэнзимы широко используются в лабораторной практике и биотехнологии — как компоненты аналитических наборов и как инструменты ферментативного синтеза.