Кофактор — вспомогательный компонент ферментов¶
Кофактор — это небелковая или небелковая часть молекулы, необходимая для катализируемой ферментом реакции. Кофакторы представляют собой неаминокислотные компоненты ферментов (голоферментов), без которых фермент не способен проявлять каталитическую активность. Вместе с апопротеином (белковой частью) кофактор образует функционально активный фермент — голофермент.
¶Классификация кофакторов
Кофакторы принято делить на две большие группы:
- Неорганические ионы — металлы (Fe²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Mn²⁺, Mo, Co) и ионы водорода. Многие ферменты, работающие с АТФ, требуют присутствия Mg²⁺.
- Органические кофакторы — обычно производные витаминов. Их принято называть коэнзимами.
Таким образом, коэнзим — это разновидность кофактора, имеющая органическую природу. В ряде источников термин «кофактор» используется как собирательный, включая и коэнзимы, ионы металлов и даже прочие небелковые группы (например, гем, жёстко связанный с апопротеином).
¶Кофактор и коэнзим: различия
Ключевое различие между кофактором и коэнзимом заключается в характере связи с белком:
- Коэнзимы связываются с апопротеином слабо и обратимо, часто переносят химические группы от одного субстрата к другому (например, НАД⁺, НАДФ⁺, кофермент А, ФАД, пиридоксальфосфат).
- Жёстко связанные простетические группы (гем в цитохромах, биотин в карбоксилазах, липоевая кислота) остаются частью фермента на всех стадиях катализа.
По химической природе коэнзимы делятся на:
- Переносчики химических групп (ацетил-, метильные, ацильные группы) — кофермент А, S-аденозилметионин.
- Переносчики электронов — НАД⁺, НАДФ⁺, ФАД, убихинон.
- Переносчики аминогрупп — пиридоксальфосфат (производное витамина B₆).
- Переносчики фосфатных групп — АТФ, креатинфосфат.
- Молекулы-носители — тетрагидрофолиевая кислота (производное фолиевой кислоты).
¶История открытия
Термин «кофактор» ввёл немецкий биохимик Вильгельм Кюне в 1878 году для обозначения небелковых компонентов ферментов. В 1904 году Артур Харден и Уильям Янг в ходе изучения спиртового брожения показали, что для работы фермента пируватдекарбоксилазы требуется термолабильный (разрушающийся при нагревании) небелковый фактор — пирофосфат тиамина. Эта работа стала одним из первых доказательств существования коэнзимов.
В 1930-е годы Ганс фон Эйлер-Хельпин определил структуру НАД⁺ и показал его роль в окислительно-восстановительных реакциях. Вклад в изучение кофакторов внесли также Рихард Вильштеттер, Отто Варбург (открывший флавиновые коферменты) и Фриц Липман (открывший кофермент А).
¶Биологическая роль
Кофакторы выполняют несколько ключевых функций:
- Стабилизация структуры фермента — ионы металлов помогают поддерживать третичную структуру белка.
- Участие в катализе — кофактор напрямую участвует в переносе электронов, групп или в стабилизации переходного состояния.
- Специфичность — кофактор определяет, какой именно субстрат будет обработан ферментом.
Пример: карбоангидраза требует ион цинка для связывания и активации молекул воды. Гемоглобин (хотя это не фермент, а переносчик кислорода) содержит гем с ионом железа, определяющий его функцию.
¶Кофакторы и витамины
Значительная часть коэнзимов синтезируется в организме из витаминов, поступающих с пищей. Дефицит витамина приводит к недостатку соответствующего коэнзима и нарушению работы зависимых от него ферментов:
| Витамин | Коэнзим | Функция |
|---|---|---|
| B₁ (тиамин) | Тиаминпирофосфат | Перенос альдегидных групп |
| B₂ (рибофлавин) | ФАД, ФМН | Перенос электронов |
| B₃ (ниацин) | НАД⁺, НАДФ⁺ | Перенос электронов |
| B₅ (пантотенат) | Кофермент А | Перенос ацильных групп |
| B₆ (пиридоксин) | Пиридоксальфосфат | Перенос аминогрупп |
| B₇ (биотин) | Биотин | Перенос CO₂ |
| B₉ (фолат) | Тетрагидрофолиевая кислота | Перенос одноуглеродных групп |
| B₁₂ (кобаламин) | Аденозилкобаламин | Перенос водорода, изомеризации |
¶Применение в медицине и промышленности
Знание о кофакторах используется в нескольких областях:
- Медицина — диагностика дефицита витаминов по активности зависимых ферментов (например, активность глутаматдегидрогеназы при дефиците ниацина).
- Фармакология — некоторые лекарственные средства являются антагонистами кофакторов (сульфаниламиды конкурируют с парааминобензойной кислотой в синтезе фолиевой кислоты у бактерий).
- Биотехнология — использование кофакторов в биосенсорах и биотопливе (регенерация НАД⁺/НАДH в электрохимических системах).
- Пищевая промышленность — обогащение продуктов витаминами-предшественниками коэнзимов.
¶Примечания
В некоторых биохимических источниках термин «кофактор» используется в более узком смысле — только для обозначения ионов металлов, тогда как для органических молекул применяется исключительно термин «коэнзим». Наиболее распространённой является широкая трактовка, включающая оба типа небелковых компонентов.
Источники:
- Биохимия: учебник / под ред. В. П. Мешалиной, С. Д. Варфоломеева. — М.: БИНОМ, 2016.
- Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии: в 3 т. — М.: БИНОМ, 2014.
- Ленинджер А. Биохимия. — М.: Мир, 1974.
- Кюне В. Lehrbuch der chemischen Gewebelehre des Menschen. — Тюбинген, 1858.
- Harden A., Young W. J. The alcoholic ferment of yeast-juice // Proceedings of the Royal Society B. — 1906.