Куэнзим: коферменты и их роль¶

Куэнзим (от лат. co — «вместе» и enzym — «фермент»), или кофермент, — это низкомолекулярное органическое соединение небелковой природы, которое связывается с ферментом (белковой частью, называемой апоферментом) и необходимо для проявления его каталитической активности. Термин «куэнзим» был предложен в начале XX века для обозначения веществ, которые, в отличие от собственно ферментов, выдерживают нагревание и проходят через полупроницаемые мембраны, но при этом требуются для протекания реакции. В современной биохимии более употребителен термин «кофермент», а «куэнзим» считается его синонимом. Коферменты, как правило, не расходуются в реакции безвозвратно, а регенерируются, выполняя функцию переносчиков химических групп, электронов или атомов.

¶Общая характеристика

Кофермент в комплексе с апоферментом образует так называемый холофермент — полную, каталитически активную форму фермента. Если апофермент определяет специфичность фермента к субстрату, то кофермент обеспечивает саму химическую реакцию: переносит электроны, протоны, ацильные, метильные, амино- или фосфатные группы.

Ключевые свойства коферментов:

• низкая молекулярная масса по сравнению с белками;
• способность обратимо связываться с белковой частью (иногда ковалентно, иногда нековалентно);
• химическая изменчивость в ходе катализа с последующей регенерацией;
• часто происхождение от витаминов.

Именно последнее обстоятельство объясняет, почему недостаток многих витаминов в пище приводит к нарушению обмена веществ: без витамина не синтезируется соответствующий кофермент, а без кофермента фермент неактивен.

¶Связь с витаминами

Многие коферменты являются производными водорастворимых витаминов. Это одна из важнейших связей между диетологией и биохимией.

Жирорастворимые витамины (A, D, E, K) в большинстве случаев действуют иначе — как гормоны или антиоксиданты, а не как классические коферменты.

¶Классификация

Коферменты удобно разделять по типу химической группы, которую они переносят.

¶Переносчики электронов

К этой группе относятся НАД⁺, НАДФ⁺, ФАД и ФМН. Они участвуют в окислительно-восстановительных реакциях: НАД⁺ принимает гидрид-ион (два электрона и протон) и превращается в НАДН, а ФАД — в ФАДН₂. Эти коферменты центральны для клеточного дыхания, гликолиза, цикла Кребса и окислительного фосфорилирования.

¶Переносчики групп

Кофермент A переносит ацильные остатки и играет ключевую роль в β-окислении жирных кислот и цикле Кребса. Тетрагидрофолат переносит одноуглеродные фрагменты при синтезе нуклеотидов. S-аденозилметионин служит донором метильных групп в реакциях метилирования ДНК и белков.

¶Коферменты изомеризации и расщепления

Некоторые коферменты, например производные кобаламина, участвуют в реакциях перегруппировки и переноса водорода. К этой же категории относят липоевую кислоту, которая может как переносить ацильные группы, так и участвовать в окислительно-восстановительных превращениях.

¶Механизм действия

Работа кофермента обычно описывается через цикл. Рассмотрим НАД⁺: фермент-дегидрогеназа связывает субстрат и НАД⁺; от субстрата к коферменту переносится гидрид-ион; образуется НАДН, который покидает активный центр; затем НАДН окисляется в дыхательной цепи, регенерируя НАД⁺. Таким образом, одна и та же молекула кофермента может использоваться многократно.

Связывание кофермента с апоферментом может быть:

• нековалентным — за счёт водородных связей, ионных взаимодействий, гидрофобных контактов;
• ковалентным — например, биотин в карбоксилазах присоединён к белку амидной связью.

Некоторые коферменты, например тиаминпирофосфат, в ходе катализа образуют промежуточные соединения с субстратом, что позволяет осуществлять реакции, энергетически труднодоступные для простого кислотно-основного катализа.

¶Значение и применение

Понимание роли коферментов имеет фундаментальное и прикладное значение.

В медицине дефицит коферментов лежит в основе многих заболеваний. Цинга связана с недостатком витамина C, участвующего в гидроксилировании коллагена; пеллагра — с недостатком ниацина и, следовательно, НАД⁺ и НАДФ⁺; мегалобластная анемия — с дефицитом фолиевой кислоты или B₁₂.

В фармакологии многие лекарства действуют как антиметаболиты коферментов. Например, метотрексат ингибирует дигидрофолатредуктазу и тем самым блокирует восстановление фолата, что используется в противоопухолевой терапии.

В биотехнологии коферменты применяются в ферментативном катализе, биосенсорах и производстве химических веществ. Регенерация коферментов (например, НАДН в реакторах) — важная инженерная задача.

¶История изучения

Понятие кофермента возникло при изучении брожения. В 1904 году Артур Гарден и Уильям Джон Янг показали, что для спиртового брожения в дрожжевом экстракте необходимы две фракции: термолабильная (белковая, «зимаза») и термостабильная (небелковая). Термостабильный компонент был назван коферментом. Позже, в 1930-х годах, были установлены структуры НАД⁺ и других коферментов, что связало их с витаминами. Работы Ханса Кребса, Отто Варбурга и других учёных заложили основы современного понимания клеточного метаболизма.

¶Отличия от простетических групп

Иногда термины «кофермент» и «простетическая группа» разграничивают. Простетическая группа — это небелковая часть, прочно (часто ковалентно) связанная с белком и не отделяющаяся от него в ходе катализа. Кофермент же обычно связывается обратимо и может диссоциировать. Однако граница условна: например, ФАД в некоторых ферментах ведёт себя как простетическая группа, а в других — как кофермент.