Коферменты дегидрогеназ над и фад. Строение коферментов над, надф, фад, фадф, соа-sh
Коферменты ФМН (РММ) и ФАД (РАО)
Биологическая роль флавиновых ферментов заключается в том, что они катализируют аэробные окислительно-восстановительные реакции в живых системах, например, окисляют восстановительные коферменты – НАД Н 2 , НАДФ Н 2 , несущие Н 2 в дыхательной цепи.
Тиоловые коферменты
К тиоловым коферментам относится кофермент ацилирования (КоА, СоА, НSСоА), биологическая роль которого заключается в переносе ацильных группировок. Если КоА переносит ацетил (СН 3 СО–), то он называется коферментом ацетилирования. В состав КоА входит витамин В 3 (пантотеновая кислота):
 |
 |
Ацильные группы переносятся КоА за счет сложноэфирной связи кофермента А с тиоловой группой –SН.
Биологическая роль кофермента ацетилирования заключается в том, что он является:
1) ключевым веществом промежуточного метаболизма, переносчиком групп СН 3 СО–, которые вступают в цикл Кребса для окисления до Н 2 О и СО 2 и генерации энергии;
2) коферментом, участвующим в биосинтезе и распаде жирных кислот до аминокислот.
РАЗДЕЛ 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ
Ферменты – это высокомолекулярные соединения, амфотерные электролиты, характерными свойствами которых являются:
Гидрофильность;
Высаливание;
Денатурация;
Свойства коллоидных систем;
Оптимум рН;
Температурный оптимум;
Высокая специфичность действия;
Активация и ингибирование ферментов.
Влияние температуры на активность ферментов
Ддя ферментативных реакций справедливо правило Вант-Гоффа: с повышением температуры на 10 °С скорость реакции возрастает в 2–4 раза:
,
где V t2 – скорость при температуре t2; V t1 – скорость при температуре t1; Δt= t2 – t1; γ = 2–4 – температурный коэффициент.
Данная зависимость сохраняется до определенного температурного уровня – температурного оптимума. Для большинства ферментов температурный оптимум находится в диапазоне 35...45 °С. Повышение температуры выше оптимума приводит к снижению активности фермента, при t > 70 °С фермент инактивируется, т. е. теряет биологическую активность. Так как фермент является белком, то при повышении температуры происходит его денатурация, меняется структура активного центра, в результате фермент не может реагировать с субстратом. Исключением являются миокиназа, которая проявляет активность при 100 °С, и каталаза, активная при 0 °С.
Оптимум рН
Ферменты проявляют максимальную активность при оптимальном физиологическом диапазоне рН (см. приложение). Например, оптимум рН для сахаразы – 6,2, для пепсина – 1,5–2,5.
Обратимость действия
Некоторые ферменты могут катализировать прямую и обратную реакции.
Специфичность (избирательность) действия
Фермент может катализировать одну или несколько близких по природе химических реакций. В основе специфичности лежит гипотеза Э. Фишера: строгое соответствие структуры субстрата и активного центра, как ключ к замку.
Специфичность может быть относительной и абсолютной. Относительная специфичность характерна для ферментов, действующих на определенный тип связи. К ферментам с относительной специфичностью относятся эстеразы (гидролиз по местоположению эфирных связей) и протеиназы (гидролиз пептидной связи).
Абсолютная специфичность (абсолютная избирательность) заключается в том, что фермент катализирует превращение только одного субстрата конкретной структуры.
Например:
Сахараза Сахароза
Аргиназа Аргинин
К абсолютной специфичности относится и стереохимическая специфичность, т. е. воздействие фермента на определенный стереоизомер.
Активация фермента. Активаторы. Ингибирование. Ингибиторы
Активацией называется увеличение активности ферментов, активаторами – вещества, повышающие активность ферментов.
Активаторами могут быть ионы металлов (Na + , К + , Мg 2+).
Одним из видов процесса активации является процесс самоактивации ферментов. Ферменты имеют проферменты (зимогены) –неактивные формы ферментов, когда активный центр замаскирован дополнительным участком пептидной цепи, в результате чего субстрат не может подойти к активному центру. Превращение зимогена в активный фермент в результате удаления участка пептидной цепи и освобождения активного центра называется самоактивацией.
Понижение скорости ферментативной реакции под воздействием ингибиторов называется ингибированием, соответственно ингибиторы –это вещества, которые угнетают действие ферментов. Ингибиторами являются ионы тяжелых металлов, кислоты, щелочи, спирты и др.
Ингибирование может быть как обратимым, так и необратимым.
При необратимом ингибировании фермент теряет свою активность полностью в связи с разрушением структуры (денатурацией). К ингибиторам относятся денатурирующие физические и химические факторы.
Обратимое ингибирование – это обратимое взаимодействие фермента с субстратом. Обратимое ингибирование может быть конкурентным и неконкурентным.
При конкурентном обратимом ингибировании происходит "конкуренция" между субстратом и ингибитором за взаимодействие с активным центром фермента.
Субстрат и ингибиторы – структурные аналоги. Ингибитор (У), конкурируя с субстратом (S), образует с ферментом (Е) ингибиторно-ферментный комплекс (ЕУ):
Е + S + У ↔ ЕУ + S
ннгибнторно-
ферментный
комплекс
Неконкурентное, или аллостерическое (от греч. allos – другой), Ингибирование основано на том, что ингибитор не является структурным аналогом субстрата и соединяется не с активным, а с аллостерическим центром, в результате чего происходит изменение структуры фермента, и активный центр не может присоединить субстрат.
Важную роль в регуляции действия ферментов играет их компартментация, т. е. локализация в субклеточных структурах.
Источники
Достаточное количество содержат мясные продукты, печень, почки, молочные продукты, дрожжи. Также витамин образуется кишечными бактериями.
Суточная потребность
Строение
В состав рибофлавина входит флавин – изоаллоксазиновое кольцо с заместителями (азотистое основание) и спирт рибитол .
Строение витамина В 2
Коферментные формы витамина дополнительно содержат либо только фосфорную кислоту – флавинмононуклеотид (ФМН), либо фосфорную кислоту, дополнительно связанную с АМФ – флавинадениндинуклеотид .
Строение окисленных форм ФАД и ФМН
Метаболизм
В кишечнике рибофлавин освобождается из состава пищевых ФМН и ФАД, и диффундирует в кровь. В слизистой кишечника и других тканях вновь образуется ФМН и ФАД.
Биохимические функции
Кофермент оксидоредуктаз – обеспечивает перенос 2 атомов водорода в окислительно-восстановительных реакциях.
Механизм участия флавинового кофермента в биохимической реакции
1. Дегидрогеназы энергетического обмена – пируватдегидрогеназа (окисление пировиноградной кислоты), α-кетоглутаратдегидрогеназа и сукцинатдегидрогеназа (цикл трикарбоновых кислот), ацил-SКоА-дегидрогеназа (окисление жирных кислот), митохондриальная α-глицеролфосфатдегидрогеназа (челночная система).
Пример дегидрогеназной реакции с участием ФАД
2. Оксидазы , окисляющие субстраты с участием молекулярного кислорода. Например, прямое окислительное дезаминирование аминокислот или обезвреживание биогенных аминов (гистамин, ГАМК).
Пример оксидазной реакции с участием ФАД
(обезвреживание биогенных аминов)
Гиповитаминоз B2
Причина
Пищевая недостаточность, хранение пищевых продуктов на свету, фототерапия, алкоголизм и нарушения ЖКТ.
Клиническая картина
В первую очередь страдают высокоаэробные ткани – эпителий кожи и слизистых. Проявляется как сухость ротовой полости, губ и роговицы; хейлоз , т.е. трещины в уголках рта и на губах ("заеды"), глоссит (фуксиновый язык), шелушение кожи в районе носогубного треугольника, мошонки, ушей и шеи, конъюнктивит и блефарит .
Сухость конъюнктивы и ее воспаление ведут к компенсаторному увеличению кровотока в этой зоне и улучшению снабжения ее кислородом, что проявляется как васкуляризация роговицы.
Антивитамины В 2
1. Акрихин (атебрин) – ингибирует функцию рибофлавина у простейших. Используется при лечении малярии, кожного лейшманиоза, трихомониаза, гельминтозов (лямблиоз, тениидоз).
2. Мегафен – тормозит образование ФАД в нервной ткани, используется как седативное средство.
3. Токсофлавин – конкурентный ингибитор флавиновых дегидрогеназ.
Лекарственные формы
Свободный рибофлавин, ФМН и ФАД (коферментные формы).
Коферменты в каталитических реакциях осуществляют транспорт различных групп атомов, электронов или протонов. Коферменты связываются с ферментами:
Ковалентными связями;
Ионными связями;
Гидрофобными взаимодействиями и т.д.
Один кофермент может быть коферментом для нескольких ферментов. Многие коферменты являются полифункциональными (например, НАД, ПФ). В зависимости от апофермента зависит специфичность холофермента.
Все коферменты делят на две большие группы: витаминные и невитаминные.
Коферменты витаминной природы – производные витаминов или химические модификации витаминов.
1 группа: тиаминовые – производные витамина В1 . Сюда относят:
Тиаминмонофосфат (ТМФ);
Тиаминдифосфат (ТДФ) или тиаминпирофосфат (ТПФ) или кокарбоксилаза;
Тиаминтрифосфат (ТТФ).
ТПФ имеет наибольшее биологическое значение. Входит в состав декарбоксилазы кетокислот: ПВК, a-кетоглутаровая кислота. Этот фермент катализирует отщепление СО 2 .
Кокарбоксилаза участвует в транскетолазной реакции из пентозофосфатного цикла.
2 группа: флавиновые коферменты, производные витамина В2 . Сюда относят:
- флавинмононуклеотид (ФМН) ;
- флавинадениндинуклеотид (ФАД) .
Ребитол и изоалоксазин образуют витамин В2. Витамин В2 и остаток фосфорной к-ты образуют ФМН. ФМН в соединении с АМФ образуют ФАД.
[рис. изоалоксазиновое кольцо соединено с ребитолом, ребитол с фосфорной к-той, а фосфорная к-та – с АМФ]
ФАД и ФМН являются коферментами дегидрогеназ. Эти ферменты катализируют отщепление от субстрата водорода, т.е. участвуют в реакциях окисления–восстановления. Например СДГ – сукцинатдегидрогеназа – катализирует превращение янтарной к-ты в фумаровую. Это ФАД-зависимый фермент. [рис. COOH-CH 2 -CH 2 -COOH® (над стрелкой – СДГ, под – ФАД и ФАДН 2) COOH-CH=CH-COOH]. Флавиновые ферменты (флавинзависимые ДГ) содержат ФАД, который в них является первоисточником протонов и электронов. В процессе хим. реакций ФАД превращается в ФАДН 2 . Рабочей частью ФАД является 2 кольцо изоалоксазина; в процессе хим. реакции идет присоединение двух атомов водорода к азотам и перегруппировка двойных связей в кольцах.
3 группа: пантотеновые коферменты, производные витамина В3 – пантотеновой кислоты. Входят в состав кофермента А, НS-КоА. Этот кофермент А является коферментом ацилтрансфераз, вместе с которой переносит различные группировки с одной молекулы на другую.
4 группа: никотинамидные, производные витамина РР - никотинамида :
Представители:
Никотинамидадениндинуклеотид (НАД);
Никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ).
Коферменты НАД и НАДФ являются коферментами дегидрогеназ (НАДФ-зависимых ферментов), например малатДГ, изоцитратДГ, лактатДГ. Участвуют в процессах дегидрирования и в окислительно-восстановительных реакциях. При этом НАД присоединяет два протона и два электрона, и образуется НАДН2.
Рис. рабочей группы НАД и НАДФ: рисунок витамина РР, к которому присоединяется один атом Н и в результате происходит перегруппировка двойных связей. Рисуется новая конфигурация витамина РР + Н + ]
5 группа: пиридоксиновые, производные витамина В6 . [рис. пиридоксаля. Пиридоксаль+ фосфорная к-та= пиридоксальфосфат]
- пиридоксин ;
- пиридоксаль ;
- пиридоксамин .
Эти формы взаимопревращаются в процессе реакций. При взаимодействии пиридоксаля с фосфорной кислотой получается пиридоксальфосфат (ПФ).
ПФ является коферментом аминотрансфераз, осуществляет перенос аминогруппы от АК на кетокислоту – реакция переаминирования . Также производные витамина В6 входят как коферменты в состав декарбоксилаз АК.
Коферменты невитаминной природы – вещества, которые образуются в процессе метаболизма.
1) Нуклеотиды – УТФ, УДФ, ТТФ и т.д. УДФ-глюкоза вступает в синтез гликогена. УДФ-гиалуроновая к-та используется для обезвреживания различных веществ в трансверных реакциях (глюкоуронил трансфераза).
2) Производные порфирина (гем): каталаза, пероксидаза, цитохромы и т.д.
3) Пептиды . Глутатион – это трипептид (ГЛУ-ЦИС-ГЛИ), он участвует в о-в реакциях, является коферментом оксидоредуктаз (глутатионпероксидаза, глутатионредуктаза). 2GSH«(над стрелкой 2Н) G-S-S-G. GSH является восстановленной формой глутатиона, а G-S-S-G – окисленной.
4) Ионы металлов , например Zn 2+ входит в состав фермента АлДГ (алкогольдегидрогеназы), Cu 2+ - амилазы, Mg 2+ - АТФ-азы (например, миозиновой АТФ-азы).
Могут участвовать в:
Присоединении субстратного комплекса фермента;
В катализе;
Стабилизация оптимальной конформации активного центра фермента;
Стабилизация четвертичной структуры.
Циклический аденозинмонофосфат (цамф) - производное АТФ, выполняющее в организме роль вторичного посредника, использующегося для внутриклеточного распространения сигналов некоторых гормонов (например, глюкагона или адреналина), которые не могут проходить через клеточную мембрану. Превращает ряд инертных белков в ферменты (цамф-зависимые протеинкиназы), под действием которых происходит ряд биохим. реакций (проведение нервного импульса).
Образование цАМФ стимулируется адреналином.
Циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ ) - это циклическая форма нуклеотида, образующаяся из гуанозинтрифосфата (GTP) ферментом гуанилатциклазой. Образование стимулируется ацетилхолином.
· цГМФ вовлечен в регуляцию биохимических процессов в живых клетках в качестве вторичного посредника (вторичного мессенджера). Характерно, что многие эффекты цГМФ прямо противоположны цАМФ.
· цГМФ активирует G-киназу и фосфодиэстеразу, гидролизующую цАМФ.
· цГМФ принимает участизе в регуляции клеточного цикла. От соотношения цАМФ/цГМФ зависит выбор клетки: прекратить деление (остановиться в G0 фазе) или продолжить, перейдя в фазу G1.
· цГМФ стимулирует пролиферацию клеток (деление), а цАМФ подавляет
Аденозинтрифосфат (АТФ) - нуклеотид, образованный азотистым основанием аденином, пятиуглеродным сахаром рибозой и тремя остатками фосфорной кислоты. Фосфатные группы в молекуле АТФ соединены между собой высокоэнергетическими (макроэргическими) связями. Связи между фосфатными группами не очень прочные, и при их разрыве выделяется большое количество энергии. В результате гидролитического отщепления от АТФ фосфатной группы образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и высвобождается порция энергии.
· Вместе с другими нуклеозидтрифосфатами АТФ является исходным продуктом при синтезе нуклеиновых кислот.
· АТФ отводится важное место в регуляции множества биохимических процессов. Являясь аллостерическим эффектором ряда ферментов, АТФ, присоединяясь к их регуляторным центрам, усиливает или подавляет их активность.
· АТФ является также непосредственным предшественником синтеза циклического аденозинмонофосфата - вторичного посредника передачи в клетку гормонального сигнала.
· Также известна роль АТФ в качестве медиатора в синапсах и сигнального вещества в других межклеточных взаимодействиях
Аденозиндифосфат (АДФ) - нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и двух остатков фосфорной кислоты. АДФ участвует в энергетическом обмене во всех живых организмах, из него образуется АТФ путём фосфорилирования:
АДФ + H3PO4 + энергия → АТФ + H2O.
Циклическое фосфорилирование АДФ и последующее использование АТФ в качестве источника энергии образуют процесс, составляющий суть энергетического обмена (катаболизма).
ФАД - флавинадениндинуклеотид - кофермент, принимающий участие во многих окислительно-восстановительных биохимических процессах. ФАД существует в двух формах - окисленной и восстановленной, его биохимическая функция, как правило, заключается в переходе между этими формами.
Никотинамидадениндинуклеотид (НАД) - динуклеотид, состоит из двух нуклеотидов, соединённых своими фосфатными группами. Один из нуклеотидов в качестве азотистого основания содержит аденин, другой - никотинамид. Никотинамидадениндинуклеотид существует в двух формах: окисленной (NAD) и восстановленной (NADH).
· В метаболизме NAD задействован в окислительно-восстановительных реакциях, перенося электроны из одной реакции в другую. Таким образом, в клетках NAD находится в двух функциональных состояниях: его окисленная форма, NAD+, является окислителем и забирает электроны от другой молекулы, восстанавливаясь в NADH, который далее служит восстановителем и отдаёт электроны.
· 1. Метаболизм белков, жиров и углеводов. Так как НАД и НАДФ служат коферментами большинства дегидрогеназ, то они участвуют в реакциях
· при синтезе и окислении жирных кислот,
· при синтезе холестерола,
· обмена глутаминовой кислоты и других аминокислот,
· обмена углеводов: пентозофосфатный путь, гликолиз,
· окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты,
· цикла трикарбоновых кислот.
· 2. НАДН выполняет регулирующую функцию, поскольку является ингибитором некоторых реакций окисления, например, в цикле трикарбоновых кислот.
· 3. Защита наследственной информации – НАД является субстратом поли-АДФ-рибозилирования в процессе сшивки хромосомных разрывов и репарации ДНК, что замедляет некробиоз и апоптоз клеток.
· 4. Защита от свободных радикалов – НАДФН является необходимым компонентом антиоксидантной системы клетки.
Ферменты, как и белки, делятся на 2 группы: простые исложные . Простые целиком и полностью состоят из аминокислот и при гидролизе образуют исключительно аминокислоты.Их пространственная организация ограничена третичной структурой. Это в основом ферменты ЖКТ: пепсин, трипсин, лизацим, фосфатаза. Сложные ферменты кроме белковой части содержат и небелковые компоненты.Эти небелковые компоненты отличаются по прочности связывания с белковой частью (аллоферментом). Если константа диссоциации сложного фермента настолько мала, что в растворе все полипептидные цепи оказываются связанными со своими небелковыми компонентами и не разделяются при выделении и очистке, то небелковый компонент называется простетической группой и рассматривается как интегральная часть молекулы фермента.
Под коферментом понимают дополнительную группу, легко отделяющуюся от аллофермента при диссоциации. Между аллоферментом и простейшей группой существует ковалентная связь, довольно сложная. Между аллофермнтом и коферментом существует нековалентная связь (водородные или электростатические взаимодействия). Типичными представителями коферментов являются:
В 1 - тиамин; пирофосфат (он содержит В)
В 2 - рибофлавин; ФАД, ФНК
РР - НАД, НАДФ
Н – биотин; биозитин
В 6 - пиридоксин; пиридоксальфосфат
Пантотеновая кислота: коэнзим А
Многие двухвалентные металлы (Cu,Fe,Mn,Mg) тоже выполняют роль кофакторов, хотя и не относятся ни к коферментам, ни к простетическим группам. Металлы входят в состав активного центра или стабилизируют оптимальный вариант сруктуры активного центра.
МЕТАЛЛЫ ФЕРМЕНТЫ
Fe,Feгемоглобин, каталаза, пероксидаза
Cu,Cuцитохромоксидаза
ZnДНК – полимераза, дегидрогеназа
Mgгексокиназа
Mnаргиназа
Seглутатионредуктаза
Кофакторную функцию могут выполнять также АТФ, молочная кислота, т – РНК. Следует отметить одну отличительную особенность двухкомпонентных ферментов, заключающуюся в том, что ни кофактор (кофермент или простетическая группа), ни аллофермент в отдельности каталитической активности не проявляют, и только их объединение в единое целое, протекающее в соответствии с программой их трёхмерной организации, обеспечивает быстрое протекание химических реакций.
Строение НАД и НАДФ.
НАД и НАДФ являются коферментами пиридинзависимых дегидрогеназ.
НИКОТИНАМИДАДЕНИНДИНУКЛЕОТИД.
НИКОТИНАМИДАДЕНИНДИНУКЛЕОАМИДФОСФАТ (НАДФ)
Способность НАД и НАДФ играть роль точного переносчика водорода связана с наличием в их структу –
ре амида никотиновой кислоты.
В клетках НАД – зависимые дегидрогеназы участвуют
в процессах переноса электронов от субстрата к О.
НАДФ – зависимые дегидрогеназы играют роль в процес –
сах биосинтеза. Поэтому коферменты НАД и НАДФ
отличаются по внутриклеточной локализации: НАД
концентрируется в митохондриях, а большая часть НАДФ
находится в цитоплазме.
Строение ФАД и ФМН.
ФАД и ФМН являются простетическими группами флавиновых ферментов. Они очень прочно, в отличие от НАД и НАДФ, присоединяются к аллоферменту.
ФЛАВИНМОНОНУКЛЕОТИД (ФМН).
ФЛАВИНАЦЕТИЛДИНУКЛЕОТИД.
Активной частью молекулы ФАД и ФМН является изоаллоксадиновое кольцо рибофлавин, к атомам азота которого могут присоединятся 2 атома водорода.