Ионы металлов как кофакторы ферментов
Примерно треть всех известных ферментов является металлозависимыми. Роль металлов в этих ферментах различна. Металлоферменты делятся на следующие группы и подгруппы:
1. Ферменты, где ионы металлов выполняют роль активаторов (эти ферменты катализируют и без металла, но их активность снижается).
2. Ферменты, где ионы металлов выполняют роль кофактора (без ионов металлов эти ферменты неактивны):
2.1) диссоциирующие металлоферменты - (ион металла легко диссоциирует от апофермента);
2.2) недиссоциирующие металлоферменты - металлопротеиды:
В роли кофактора могут выступать ионы различных металлов, чаще всего это ионы Mg2+, Мп2+ ,Zn2+, Fe2+, Сu2+, Са2+, Со2+, Мо6+ , K+.
Существует несколько вариантов участия ионов металла в работе фермента. В большинстве случаев ноны металлов вступают в непрочную связь с апоферментом, способствуя формированию каталитически активной третичной и четвертичной структуры апофермента. Стабилизация возможна за счет образования солевых мостиков между ионом металла и карбококсильными группами кислых аминокислот при формировании третичной структуры или между субъединицами при образовании четвертичной структуры. К числу таких ионов относятся Mg2+, Мn2+ , Zn2+, Са2+ и другие. Например, ионы кальция стабилизируют третичную и четвертичнyю структуры α-амилазы, а ионы цинка - алкогольдегидрогеназы; макромолекулы этих ферментов в результате становятся устойчивыми по отношению к пептигидролазам желудочно-кишечного тракта.
В составе металлопротеидов содержатся, как правило, металлы с переменной валентностью (железо, медь, кобальт, молибден). Наиболее многочисленны металлопродеиды класса оксидоредуктаз (катализ реакций окисления - восстановления). Ионы металлов в этих ферментах сами участвуют в транспорте электронов, то есть выполняют функцию каталитического участка. Классическим примером ферментов этого типа служат цитохромы (см. главу 9).
Наконец, многие ионы металлов (Mg2+, Мn2+ , Zn2+ и другие) активно участвуют в ферментативном катализе, связывая либо субстрат и фермент, либо кофермент с апоферментом. Примером первого случая может служить образование тройного фермент - металл - субстратного комплекса при действии аргиназы, петигидролаз, карбоксилаз и других ферментов. Примером второго рода является присоединение флавинового кофермента к апоферменту с помощью ионов железа, молибдена, меди и цинка.
Коферменты
Многие коферменты являются производными витаминов и витаминоподобных веществ, табл.7 (см. главу 7). Поэтому недостаточное поступление витаминов с пищей сразу сказывается на синтезе коферментов, и, как следствие, нарушаются функции соответствующих ферментов и обмен веществ в целом.
Таблица 7. Важнейшие коферменты и витамины, входящие в их состав
| Кофермент | Основная функция | Витамин |
| Коферменты дегидрогеназ: 1.Никотинамидадениндинуклеотид (НАД) 2.Никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ) 3. Флавинадениндинуклеотид (ФАД) 4.Флавиномононуклеотид (ФМН) | Перенос водорода (электронов и протонов) | Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид) Витамин В2 (рибофлавин) |
| Кофермент аминофераз - пиридоксальфосфат | Перенос аминогрупп | Витамин В6 (пиридоксин) |
| Кофермент ацилирования (КоА, Коэнзим А) | Перенос ацильных групп | Пантотеновая кислота |
| Кофермент Q (KoQ коэнзим Q убихинон | Перенос протонов и электронов | Убихинон |
| Липоевая кислота | Декарбоксилирование α-кетокислот | - |
| Тиаминпирофосфат | Декарбоксилирование α-кетокислот | Витамин В1 (тиамин) |
| Тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК) | Перенос одноуглеродных групп | Фолиевая кислота |
| Биоцитин (биотин) | Перенос СО2 | Биотин |
| Гем | Перенос электронов | - |
| Кобаламины | Перенос алкильных групп, реакции изомеризации | Витамин В12 (цианкобаламин) |
Существует менее многочисленная группа коферментов, называемых невитаминными. Этопроизводные нуклеотидов, моносахаридов, металлопорфиринов и некоторых пептидов.
Реакция образования холофермента Обратима:
кофермент + апофермент <=> холофермент.
В условиях живой клетки это равновесие иногда сильно смещено влево, и кофермент присоединяется к апоферменту вместе с субстратом в момент реакции. Другой крайний случай - стабильные холоферменты, содержащие прочно связанный кофермент, который в данном случае можно назвать простетической группой. Такие ферменты являются сложными белками. Необходимое и самое важное условие образования холофермента состоит в том, что структура кофермента должна быть комплементарна центру связывания апофермента.