Кофакторы ферментов: ионы металлов и коферменты. Коферментные функции витаминов, (на примере трансаминаз и дегидрогеназ, витаминов В6 , РР, В2)
Кофакторы ферментов: ионы металлов и коферменты.
Активность ряда ферментов (простые белки) в норме зависит только от их структуры, тогда как для других, названных холоферментами (сложные белки), требуются кофакторы — вещества небелковой природы, в роли которых могут быть сложные органические соединения (коферменты) и ионы металлов.
Кофактор может образовывать с апоферментом прочные ковалентные связи. В этом случае кофермент называют простетической группой фермента. Примерами могут служить ФАД, ФМН, биотин, ковалентно связанный с остатком лизина в активном центре, Zn 2+ , который содержится в активном центре карбоксипептидазы. В том случае, если кофермент связывается с апоферментом нековалентными связями только на время химической реакции (НАД + и НАДФ + ), он может рассматриваться в качестве второго субстрата данного фермента Один и тот же кофермент может участвовать в разных биохимических реакциях, комплементарно связываясь с разными апоферментами. Собственной каталитической активностью коферменты не обладают.
Апофермент формирует активный центр, отвечает за специфичность действия фермента, фиксирует и ориентирует субстрат в активном центре и создает условия для преобразования субстрата в продукты реакции. Ионы металла выполняют две главные функции.
I). Стабилизируют нативную конформацию фермента, структуру его активного центра и субстрата. 2). Участвуют в ферментативном катализе.
1). Металлоферменты, лишенные ионов металла, либо сохраняют способность к химическому катализу, утрачивая стабильность, либо полностью теряют активность. Например, щелочная фосфатаза — металлофермент, в активном центре которого находится Zn 2+ , лишенная ионов цинка щелочная фосфатаза, теряет ферментативную активность, но восстанавливает ее после добавления металла. В некоторых металлоферментах ион металла (Mg 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , Co 2+ , Мо 2+ ) участвует в образовании связи между молекулой субстрата и активным центром кофермента. в отсутствие иона эти ферменты не обладают активностью. Ряд ферментов в качестве субстрата используют комплекс превращаемого вещества с ионом. Для большинства киназ одним из субстратов служит не молекула АТФ, а комплекс Mg 2+ -ATФ.
2). Ферментативный электрофильный катализ. Ионы металла непосредственно участвуют в катализе и локализованы в активном центре фермента.В активном центре ферментов могут содержатся Zn 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Си 2+ . Пример элек-трофильного катализа — действие карбоангидразы, содержащей ион цинка в активном центре.
B6 Коферментные функции выполняют два фосфорилированных производных пиридоксина: пиридоксальфосфат и пиридоксаминофосфат. Распад коферментов идет путем дефосфорилирования и окисления с образованием 4-пиридоксиловой кислоты. которая выводится из организма.
Коферментные формы витамина В6 включены в реакции, катализируемые почти всеми классами ферментов. Наиболее значительная группа пиридоксалевых ферментов — аминотрансферазы. Пиридоксальзависимые (пиридоксалевые ферменты) ферменты катализируют взаимопревращения и распад аминокислот (регулируют аминокислотный состав крови при разном аминокислотном составе пиши), участвуют в специфических реакциях метаболизма отдельных аминокислот (серина, треонина, триптофана). Участвуют в обмене липидов, синтезе сфинголипидов. В качестве кофактора ферментов участвуют в начальных стадиях синтеза гема. Влияют на обмен жирных кислот.
PP — предшественник коферментов -никотинамидадениндинуклеотида (НАД + ) и никотинамидадениндинуклеотид-фосфата (НАДФ ), входящих в состав дегидрогеназ и редуктаз.
НАД + и НАДФ + приобретают коферментные функции после присоединения к никотинамиду радикала, включающего остаток рибозы, пирофосфат и нуклеотид — аденин. Витамин РР такими функциями не обладает.
1. НАД + — кофермент дегидрогеназ, участвующих в реакциях окисления глюкозы, жирных кислот, глицерола, аминокислот после их дезаминирования; является коферментом дегидрогеназ цикла Кребса (кроме сукцинатдегидрогеназы). В этих реакциях кофермент выполняет функцию промежуточного акцептора электронов и протонов.
2. НАДН и НАДФН — коферменты реакций (НАДН-оксидазной и НАДФН-оксидазной), способствующих возникновению активных форм кислорода в фагоцитах.
B2 Кофермент ФМН и ФАД
1. ФМН и ФАД — коферменты оксидаз, переносящих электроны с окисляемого субстрата на кислород. Это ферменты распада аминокислот (оксидазы D- и L-аминокислот), нуклеотидов (ксантиноксидаза), биогенных аминов (моно- и диа-минооксидазы).
2. ФАД — кофермент пируват- и альфа-кетоглутаратдегидрогеназных комплексов. Совместно с тиаминпирофосфатом и другими коферментами катализируют окислительное декарбоксилирование кетокислот.
Источник
Коферментные функции витаминов
Основные процессы, в которых принимает участие данный витамин
-кетокислот, перенос С2-альдегидных и кетоновых групп
окислительно-восстанови-тельные реакции (транспорт Н + и е — )
коэнзим А (КоА-SH),
активация ацильных (в т. ч. и ацетильных) групп
окислительно-восстанови-тельные реакции (транспорт Н + и е — )
декарбоксилирование аминокислот и перенос аминогрупп
дезоксиаденозил- и метилкобаламин
тетрагидрофолиевая кислота (ТГФК)
обмен одноуглеродных фрагментов (формил, метил-, оксиметил-, метилен-, метенил-)
активирование двуокиси углерода: карбоксилирование ацетил-КоА и пирувата
гидроксилирование пролина и лизина
-карбоксилирование остатков глутамата
Помимо коферментной витамины могут выполнять в организме и другие функции. Так, витамины А и Д выполняют функции гормонов, а витамины Е, С и каротиноиды являются антиоксидантами.
Провитамины – природные предшественники витаминов, которые превращаются в витамины в ходе их метаболизма (утилизации) в животном организме. Например, каротины являются провитаминами А, 7-дегидрохолестерин – провитамином Д3.
Антивитаминами называют аналоги витаминов, действующие как антикоферменты. Антивитаминами называют коферменты, производные витаминов, которые не способны выполнять их функции в ферментативных реакциях.
Предлагалось называть антивитаминами в широком смысле любые вещества, инактивирующее или ограничивающие действие витаминов в организме. Однако при взаимодействии некоторые витамины могут вызывать дефицит других. Если встать на позиции широкого определения термина «антивитамины», то многие витамины также можно назвать антивитаминами, что неизбежно приведет к путанице понятий.
Специфическое антикоферментное действие антивитаминов позволило широко использовать их для создания экспериментальных авитаминозов у животных и для лечения бактериальных инфекций и опухолевых заболеваний.
Некоторые антивитамины и механизмы их действия
Нафтохиноны (витамин К)
Кумарины (дикумарол, тромексан и др.)
Антивитамины за-мещают нафтохи-ноны в биохими-ческих процессах и блокируют процессинг 2, 7, 9, 10 факторов свертывания крови в печени, оказывая противо-свертывающее действие на кровь
Применяют для профилактики и лечения тромбозов при различных забо-леваниях
Изониазид (гидразид изоникотиновой кислоты) и его производные
Антивитамины включаются вместо никотинамида в структуру НАД и НАДФ с обра-зованием ложных коферментов, не способных участвовать в окисли-тельно-восстанови-тельных и других реакциях (реплика-ции и репарации). Это действие про-является в тех клетках, куда способен проникать антивитамин, например, в тубер-кулезную палочку
Применяют для лечения туберкулеза, так как оказывает туберкулостатичес-кий эффект
рин, амето-птерин или метотрексат)
Антивитамины вытесняют фолиевую кислоту из фолатзависимых фермен-тативных реакций, блокируя этим синтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот, что проявляется в торможении деления клеток. Наиболее выраженное действие наблюдается на делящихся клетках
Применяются для лечения лейкозов (тормозят интенсив-ное образование при этих заболеваниях лейкоцитов в костном мозге) и опухолевых заболеваний (тормозят деление опухолевых клеток)
Парами-нобензойная кислота (ПАБК)
Сульфаниламиды и их производные (норсульфазол, стрепто-цид, фтала-зол, сульфа-пиридозин и др.)
Антивитамины включаются вместо ПАБК в структуру фолиевой кислоты, синтезируемо ми-кроорганизмами, и блокируют функ-ции коферментов фолиевой кислоты, т. е. в конечном счете размножение чувствительных к сульфаниламидам микроорганизмов
Применяют для лечения инфекционных заболеваний
Антивитамины замещают кофер-менты тиамина в ферментативных реакциях и, воз-можно, нейроме-диаторных про-цессах
Применяют в экспериментах для создания тиаминовой недостаточности
Антивитамин замещает кофер-менты рибофлавина в ферментативных реакциях, что приводит к развитию рибофлавиновой недостаточности
Применяют в экспериментах для создания гипо- или арибофлавинозов
Антивитамин замещает пиридоксалевые коферменты в ферментативных реакциях и вызывает состояние пиридоксиновой недостаточности
Применяют в экспериментах для создания пиридоксиновой недостаточности
Пантотеновая кислота (В6)
Гомопантотеновая кислота, -метил-пантотеновая кислота
Антивитамины замещают пантоте-новые коферменты в ферментативных реакциях и вызывают состояние де-фицита пантотеновой кислоты в организме
Применяют в экспериментах для создани пантотеновой недостаточности
Гипо- и авитаминозы – это патологические состояния, обусловленные недостаточностью содержания определенных витаминов в организме или нарушением их обмена (метаболизма) в организме.
Различают экзогенные и эндогенные причины авитаминозов. К экзогенным причинам относятся:
недостаток витаминов в пищевых продуктах,
дисбаланс поступления различных витаминов,
разрушение витаминов в процессе приготовления пищи,
наличие антивитаминов в пище,
недостаток белков в рационе.
К эндогенным причинам относятся:
нарушение всасывания витаминов в ЖКТ,
нарушение трансформации (превращения) витаминов в их коферментную форму,
нарушение синтеза апоферментов,
подавление противомикробными препаратами микрофлоры кишечника – важнейшего продуцента ряда витаминов,
несоответствие количества поступающих витаминов с повышенной их потребностью вследствие односторонности рациона или особенностей метаболизма.
С учетом коферментной функции витаминов соответствующие гипо- и авитаминозы представляют собой патологические состояния, обусловленные недостаточностью или полным отсутствием определенных ферментов, в состав которых входит данный витамин (гипо- и аферментозы). Следствием этого является специфический блок метаболизма.
Недостаточность витаминов приводит к ухудшению общего состояния организма. Иногда клинические признаки недостаточности того или иного витамина очень трудно отдифференцировать. Кроме того, наряду с дефицитом какого-то одного витамина на практике чаще встречаются полигиповитаминозы, т. е. состояния, при которых организм испытывает недостаток одновременно нескольких витаминов.
В табл. 1.4 систематизированы клинические проявления дефицита витаминов в соответствии с общепринятым описанием статуса больного: состояние кожи, волос, системы пищеварения, костно-мышечной системы и т. д., а также субъективной оценки состояния человека.
Некоторые наиболее часто встречающиеся неспецифические
Источник
22.Кофакторы ферментов: ионы металлов и коферменты. Коферментные функции витаминов (на примере витаминов в6, рр, в2).
Большинство ферментов для проявления ферментативной активности нуждается в низкомолекулярных органических соединениях небелковой природы (коферментах) и/или в ионах металлов (кофакторах).
Кофакторывыполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента, а именно третичной и четвертичной структур. В некоторых случаях ионы металла служат «мостиком» между ферментом и субстратом. Они выполняют функцию стабилизаторов активного центра, облегчая присоединение к нему субстрата и протекание химической реакции. В ряде случаев ион металла может способствовать присоединению кофермента. Перечисленные выше функции выполняют такие металлы, как Mg2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Мо2+. В отсутствие металла эти ферменты активностью не обладают. Такие ферменты получили название «металлоэнзимы». Схематично данный процесс взаимодействия фермента, субстрата и металла можно представить следующим образом:
Кофермент, локализуясь в каталитическом участке активного центра, принимает непосредственное участие в химической реакции, выступая в качестве акцептора и донора химических группировок, атомов, электронов. Кофермент может быть связан с белковой частью молекулы ковалентными и нековалентными связями. В первом случае он называется простетической группой (например, FAD, FMN, биотин, липоевая кислота). Вместе с тем известны примеры, когда кофермент присоединяется к ферменту нековалентными связями настолько прочно, что не диссоциирует от белковой молекулы, например тиаминдифосфат. Во втором случае кофермент взаимодействует с ферментом только на время химической реакции и может рассматриваться в качестве второго субстрата. Примеры — NAD+, NADP+. Апофермент обеспечивает специфичность действия и отвечает за выбор типа химического превращения субстрата. Один и тот же кофермент, взаимодействуя с различными апоферментами, может участвовать в разных химических превращениях субстрата. Например, пиридоксальфосфат в зависимости от того, с каким апоферментом взаимодействует, участвует в реакциях трансаминирования или декарбоксилирования аминокислот.
Химическая природа коферментов, их функции в ферментативных реакциях чрезвычайно разнообразны. Традиционно к коферментам относят производные витаминов, хотя помимо них есть значительный класс небелковых соединений, принимающих участие в проявлении каталитической функции ферментов.
К коферментам относят следующие соединения:
гемы, входящие в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы, гуанилатциклазы, NO-синтазы и являющиеся простетической группой ферментов;
нуклеотиды — доноры и акцепторы остатка фосфорной кислоты;
убихинон, или кофермент Q, участвующий в переносе электронов и протонов в ЦПЭ;
фосфоаденозилфосфосульфат, участвующий в переносе сульфата;
S-аденозилметионин (SAM) — донор метильной группы;
глутатион, участвующий в окислительно-восстановительных реакциях.
Витамин РРвходит в состав кофермента НАД + и НАДФ + , который принимает участие в ферментативных реакциях по последовательному механизму. Две ферментативные реакции, катализируемые ферментами Е1 и Е2, сопряжены друг с другом посредством кофермента NAD+, служащего в каждом из этих случаев субстратом. Для первого фермента субстратом служит окисленная форма NAD, в качестве второго субстрата выступает донор водорода — пример последовательных реакций, продуктом — восстановленная форма NAD, для фермента Е2 — наоборот.
Витамин В5 – принимает участие в синтезе кофермента А (Ацетил-КоА). Кофермент А (КоА) —коферментацетилирования; один из важнейших коферментов; принимает участие в реакциях переносаацильных групп.МолекулаКоА состоит из остаткаадениловой кислоты, связанной пирофосфатной группой с остаткомпантотеновой кислоты, соединённой пептидной связью с остаткомβ-меркаптоэтаноламина.
С КоА связан ряд биохимических реакций, лежащих в основе окисленияисинтезажирных кислот, биосинтеза жиров, окислительных превращений продуктов распада углеводов. Во всех случаях КоА действует в качестве промежуточного звена, связывающего и переносящего кислотные остатки на другие вещества. При этом кислотные остатки в составе соединения с КоА подвергаются тем или иным превращениям, либо передаются без изменений на определённые метаболиты.
Витамин В2 – принимает участие в формировании кофактора ФАД и ФМН. Флавинадениндинуклеотид —кофактор, принимающий участие во многих окислительно-восстановительных биохимических процессах. FAD существует в двух формах — окисленной и восстановленной, его биохимическая функция, как правило, заключается в переходе между этими формами. FAD может быть восстановлен до FADH2, при этом он принимает два атома водорода. Молекула FADH2 является переносчиком энергии и восстановленныйкоферментможет быть использован каксубстратв реакцииокислительного фосфорилированиявмитохондрии. Молекула FADH2 окисляется в FAD, при этом выделяется энергия, эквивалентная (запасаемая в форме) двум молям ATФ.
Источник