Строение двухкомпонентных ферментов

Основой двухкомпонентного фермента, как и однокомпонентного, является молекула белка, которую в данном случае называют апоферментом, а небелковую часть фермента принято называть коферментом. Коферменты образуются из витаминов, нуклеотидов и других активных группировок, включающих атомы металлов, серы, а также различные органические соединения (гетероциклические радикалы пиррола и имидазола, хиноны, липоевая кислота, кетокислоты и др.).

Известны многие ферменты, у которых атомы металлов соединены непосредственно с аминокислотными остатками, формирующими каталитический центр.

Коферменты имеют разные формы соединения с белковой частью фермента. Одни из них довольно легко отделяются от фермента и могут самостоятельно участвовать в биохимических реакциях, другие связаны с ферментным белком очень прочно и не могут быть выделены без разрушения молекулы фермента. Коферменты, прочно связанные с ферментным белком, часто называют простетическими группами. К наиболее хорошо изученным простетическим группам относятся биотин, липоевая кислота, флавиновые коферменты и железосодержащие коферменты - гемы. Рассмотрим в качестве примеров флавиновые и железосодержащие коферменты.

Флавиновые простетические группы представлены двумя видами соединений – флавинадениндинуклеотидом (ФАД) и флавинмононуклео-тидом (ФМН), которые ковалентно связаны с ферментными белками.

Коферментная группировка ФМН представляет собой витамин рибофлавин, фосфорилированный по спиртовой группе пятого углеродного атома рибита, а в составе ФАД к ФМН путем взаимодействия фосфатных остатков присоединяется нуклеотидный радикал аденозин-монофосфата (АМФ). Чаще всего флавиновая простетическая группа соединяется с ферментным белком путем образования ковалентной связи между углеродом метильной группы, соединенной с восьмым углеродным атомом диметилизоаллоксазина, и азотом гетероциклического радикала гистидина или атомом серы цистеинового отатка в составе белка.

Каталитическая активность указанных простетичеких групп проявляется в том, что они способны присоединять атомы водорода к атомам азота диметилизоаллоксазина в положениях 1 и 5 с последующей перегруппировкой двойных связей. В результате присоединения атомов водорода флавиновый кофермент превращается в восстановленную форму, которая сокращенно записывается ФАД·Н₂ или ФМН·Н₂, а окисленная форма соответственно - ФАД и ФМН.

При этом считается, что один атом водорода отщепляется от субстрата в виде протона (Н⁺), а другой – в виде гидрид-иона (Н‾). В процессе взаимодействия с флавиновым коферментом протон присоединяется к атому азота диметилизоаллоксозина в положении 1, а гидрид-ион – к атому азота в положении 5. В виде таких же ионных форм происходит отщепление водорода и от восстановленного флавинового кофермента.

В настоящее время известны несколько десятков ферментов, имеющих флавиновые коферменты. Они могут функционировать в качестве переносчиков водорода в дыхательных реакциях и катализируют многие реакции окисления: спиртов в альдегиды, дигидролипоевой в липоевую кислоту, гликолевой кислоты в глиоксиловую. С участием флавиновых ферментов происходит образование α,β-ненасыщенных производных жирных кислот и превращение янтарной кислоты в фумаровую.

У некоторых флавиновых ферментов в активном центре наряду с флавиновым коферментом имеются атомы металлов. Так, например, ксантиноксидаза некоторых микроорганизмов, являющаяся димерным белком, содержит в каждой субъединице флавиновый кофермент в виде ФАД, один атом Мо и 4 атома Fe.

Важные функции в организмах выполняют ферменты, имеющие в своем составе простетические группы в виде гема. Гемы представляют собой устойчивые хелатные комплексы порфириновой группировки с атомом железа. Порфириновая группировка образуется из четырех гетероциклических структур пиррола (обозначаемых А, В, С, D), соединенных метеновыми радикалами (=СН-) в более крупную циклическую группировку, к которой присоединены еще восемь боковых радикалов. В зависимости от строения этих радикалов различают разные типы гемов (протогем, гем а, гем c и др.).

При соединении со специфическим белком гем может выполнять роль переносчика электронов или кислорода, катализировать окислительно-восстановительные реакции с участием кислорода или пероксида водорода.

Гемопротеиды, участвующие в переносе электронов, получили название цитохромов. Все они представляют собой сравнительно низкомолекулярные белки, имеющие в качестве простетической группы гем, прочно связанный с молекулой белка. Цитохромы, различающиеся строением гема и белковой молекулы, обычно обозначают латинскими буквами а, в, с, d, f.

Активным компонентом в структуре гема, принимающим участие в переносе электронов, является атом железа. В окисленном цитохроме железо содержится в виде Fe³⁺, а после присоединения электрона оно превращается в восстановленную форму Fe²⁺: цит (Fe³⁺) + `е ® цит (Fe²⁺).

Восстановленный цитохром передает электрон другому акцептору, превращаясь в окисленную форму, способную снова присоединять электрон от донора:

цит (Fe²⁺) + акцептор ® цит (Fe³⁺) + восстановленный акцептор

Наиболее хорошо изучено строение цитохрома c, который представляет собой водорастворимый белок, включающий 104 аминокислотных отатка. Как показали структурные исследования, при формировании третичной структуры цитохрома c пептидная цепь белка,укладывается вокруг гема и образует своеобразную оболочку, которая защищает его от воздействия внешнего раствора. В структуре фермента атом железа образует координационные связи с азотом гетероциклического радикала гистидина, находящегося в положении 18 первичной структуры белка, и атомом серы метионина в положении 80.

К числу коферментов, которые связаны с белковой частью фермента лабильными связями, относятся никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), кофермент А (КоА), а также коферментные формы витаминов В₁, В₆, В₁₂, фолиевой кислоты. Эти коферменты удерживаются в активном центре ферментов водородными связями и силами электростатического взаимодействия заряженных группировок кофермента и функциональных групп аминокислотных остатков, образующих активный центр фермента. В связи с этим указанные коферменты легко отделяются от белковой части фермента.

Большое число ферментов имеют в качестве кофермента динуклеотидную группировку НАД. Молекулы кофермента НАД образуются из витамина РР (амид никотиновой кислоты) и нуклеотида АМФ (аденозинмонофосфат), соединенных через остатки ортофосфорной кислоты и по химическому строению представляют собой динуклеотиды. НАДФ отличается от НАД только наличием дополнительной фосфатной группировки, присоединенной ко второму атому углерода рибозы в составе АМФ.

Ферменты, имеющие в своем составе НАД и НАДФ, катализируют реакции отщепления водорода от восстановленных субстратов и перенос их на соответствующий акцептор. Очень часто таким акцептором является окисленный флавиновый кофермент.

Активной группировкой, участвующей в отщеплении и переносе водорода, служит окисленная форма никотинамида. Исследователи считают, что от субстрата отщепляются два атома водорода в виде гидрид-иона (Нˉ) и протона (Н⁺), при этом гидрид-ион присоединяется к четвертому углеродному атому никотинамида в составе фермента, переводя его в восстановленную форму, а протон не связывается с коферментом и в дальнейшем непосредственно переходит на акцептор, с которым взаимодействует восстановленный кофермент, передавая на акцептор два электрона и водород в виде гидрид-иона (Н^ˉ).

Окисленную форму НАД принято сокращенно записывать в виде НАД⁺, а восстановленную - НАД×Н. Соответственно окисленная форма НАДФ записывается НАДФ⁺, восстановленная - НАДФ×Н. Поскольку в

НАД⁺ НАД·Н₂

реакциях, катализируемых НАД- и НАДФ- содержащими ферментами, происходит отщепление водорода от субстратов, то такие ферменты называют дегидрогеназами. Схематически действие дегидрогеназы, имеющей кофермент НАД, можно представить следующим образом:

субстрат-Н₂ + НАД⁺–фермент¾®субстрат_окисл + фермент–НАД×Н + Н⁺

фермент–НАД ×Н +Н⁺ + акцептор ¾® НАД⁺–фермент + акцептор–Н₂

НАД и НАДФ очень легко отделяются от ферментного белка и могут существовать в свободной форме, диффундируя от одного фермента к другому. Свободные формы этих коферментов могут также переноситься по флоэмной системе растений от донорных клеток и органов к акцепторным.

НАД – зависимые ферменты наиболее активны в ускорении реакций, связанных с отщеплением водорода от субстратов, а ферменты, имеющие восстановленные коферменты НАДФ, чаще всего используются как сильные восстановители.

Дата добавления: 2014-01-11