Коэнзим: определение, функции и классификация¶

Коэнзим — 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 ним и может диссоциировать, а в ряде случаев функционировать самостоятельно. Полный каталитически активный комплекс «белок + коэнзим» называется холоферментом.

Коэнзимы участвуют в переносе химических групп, электронов или протонов между молекулами. Многие из них являются производными витаминов, что объясняет связь между недостатком витаминов в пище и нарушением обмена веществ.

¶Общая характеристика

Коэнзимы отличаются от обычных субстратов тем, что в ходе реакции не расходуются необратимо, а регенерируются. Они действуют как промежуточные переносчики: принимают группу от одного субстрата и передают её другому. По химической природе это, как правило, небольшие молекулы — нуклеотиды, производные витаминов, металлоорганические комплексы.

Ключевые свойства:

• низкая молекулярная масса по сравнению с белками;
• термостабильность (часто выдерживают нагревание, тогда как белок денатурирует);
• способность к обратимым превращениям (окисление — восстановление, перенос групп);
• происхождение из витаминов или аминокислот.

¶История изучения

Понятие коэнзима ввёл в начале XX века английский биохимик Артур Харден. В 1906 году он показал, что процесс спиртового брожения в дрожжевом соке прекращается после кипячения, но возобновляется при добавлении свежего сока. Это означало, что для реакции нужны два компонента: термолабильный (белок) и термостабильный (коэнзим).

В 1920-х годах Ханс фон Эйлер-Хельпин выделил кофермент, участвующий в брожении, и установил его связь с нуклеотидами. Позднее, в 1930-х, Отто Варбург описал коферменты окислительно-восстановительных реакций. За работы по коферментам и механизмам ферментативного катализа Харден и фон Эйлер-Хельпин получили Нобелевскую премию по химии в 1929 году.

¶Классификация

Коэнзимы удобно разделять по типу переносимой группы.

Отдельно выделяют простетические группы — кофакторы, прочно (ковалентно или нековалентно) связанные с белком и не отделяющиеся от него. ФАД и биотин обычно выступают как простетические группы, тогда как НАД и кофермент A — как растворимые коэнзимы.

¶Основные представители

НАД (никотинамидадениндинуклеотид) — важнейший переносчик электронов в клеточном дыхании. Восстановленная форма НАД·H передаёт электроны в дыхательную цепь митохондрий, обеспечивая синтез АТФ. НАДФ участвует в восстановительных синтезах, например в фотосинтезе и биосинтезе жирных кислот.

ФАД (флавинадениндинуклеотид) — простетическая группа дегидрогеназ и оксидаз. Прочно связан с белком и участвует в окислении жирных кислот, цикле Кребса.

Кофермент A — переносчик ацильных групп. Его производное ацетил-КоА — центральный метаболит, связывающий распад углеводов, жиров и белков. Ацетил-КоА вступает в цикл трикарбоновых кислот и служит исходным веществом для синтеза холестерина и жирных кислот.

Пиридоксальфосфат — коэнзим реакций переаминирования и декарбоксилирования аминокислот, ключевой в обмене аминокислот и синтезе нейромедиаторов.

Тетрагидрофолат — переносчик одноуглеродных фрагментов, необходим для синтеза нуклеотидов и, следовательно, для деления клеток.

¶Роль в обмене веществ

Коэнзимы обеспечивают сопряжение отдельных реакций в единые метаболические пути. Без них невозможны:

• клеточное дыхание и окислительное фосфорилирование;
• цикл трикарбоновых кислот;
• β-окисление жирных кислот;
• синтез нуклеиновых кислот;
• обмен аминокислот и перенос аминогрупп.

Одна и та же молекула коэнзима может обслуживать сотни различных ферментов, что делает её универсальным «инструментом» клетки.

¶Значение для организма и медицины

Поскольку многие коэнзимы образуются из витаминов, их дефицит напрямую связан с гиповитаминозами. Недостаток ниацина вызывает пеллагру, рибофлавина — поражения кожи и слизистых, фолиевой кислоты — анемию. Это объясняет, почему витамины группы B рассматриваются как предшественники коэнзимов.

В медицине и фармакологии применяются как сами коэнзимы, так и их аналоги. Например, кофермент Q10 (убихинон) участвует в дыхательной цепи и используется в составе биологически активных добавок. Некоторые лекарства действуют как антикоэнзимы — конкурентно блокируют связывание кофактора с ферментом, что применяется в противоопухолевой и антибактериальной терапии (например, сульфаниламиды блокируют синтез фолата у бактерий).

¶Отличия от кофакторов и простетических групп

Термины близки, но не тождественны. Кофактор — общее название для любого небелкового компонента, необходимого ферменту. Коэнзим — частный случай кофактора, органическая молекула, обычно слабо связанная с белком. Простетическая группа — кофактор, прочно удерживаемый ферментом. Ионы металлов (цинк, магний, железо) относят к кофакторам, но не к коэнзимам, поскольку они неорганические.

¶Интересные факты

• Первым открытым коэнзимом считается кофермент брожения, изученный Харденом и фон Эйлер-Хельпином.
• Кофермент A был выделен Фрицем Липманом в 1947 году; за это открытие он получил Нобелевскую премию в 1953 году.
• Молекула НАД участвует в сотнях реакций и присутствует во всех живых клетках, включая бактерии и растения.
• Некоторые коэнзимы способны работать вне клетки, что используется в биотехнологии и аналитической химии.

Источники: учебники по биохимии (А. Ленинджер, Д. Нельсон и М. Кокс), материалы по истории ферментологии, справочные издания по витаминам и коферментам.