Коферменты и кофакторы

Коферменты и кофакторы — это небелковые вспомогательные молекулы, которые необходимы многим ферментам для катализа реакций. Они обеспечивают химические свойства, которые не могут быть предоставлены одними лишь боковыми цепями аминокислот: перенос электронов, перенос функциональных групп или позиционирование реактивного иона металла в активном центре. Эта область объединяет основные классы этих вспомогательных молекул и ферментов, которые от них зависят.

Definition

Кофактор — это небелковый химический компонент, необходимый для активности фермента; органические кофакторы называются коферментами, прочно или ковалентно связанный кофактор является простетической группой, а каталитически неактивный белок, лишенный своего кофактора, называется апоферментом, который становится активным холоферментом после связывания кофактора.

Scope

Эта область охватывает органические коферменты (включая переносчики окислительно-восстановительных эквивалентов, такие как NAD+ и FAD, а также многие коферменты, производные витаминов), неорганические ионы металлов-кофакторы, металл-зависимые ферменты, которые их используют, и более широкую категорию прочно связанных органических кофакторов и простетических групп. Она организована как справочный обзор биохимии ферментных кофакторов, а не как клиническое руководство.

Sub-topics

• Металл-зависимые ферменты
• Ионы металлов как кофакторы
• Органические кофакторы и простетические группы
• Редокс-коферменты: НАД+ и ФАД
• Коферменты, полученные из витаминов

Core questions

• Какие химические свойства добавляют кофакторы, которые не могут быть обеспечены боковыми цепями белков?
• Как коферменты отличаются от простетических групп и от ионов металлов-кофакторов?
• Какие витамины служат предшественниками коферментов, и как это связывает питание с функцией ферментов?
• Как ферменты приобретают и различают ионы металлов?

Key concepts

• Апофермент, холофермент и связывание кофактора
• Кофермент против простетической группы
• Косубстрат (диссоциирующий) против прочно связанных кофакторов
• Окислительно-восстановительные коферменты как переносчики электронов
• Коферменты, переносящие группы
• Коферменты, производные витаминов
• Ионы металлов-кофакторы и металлоферменты
• Регенерация и оборот кофакторов

Mechanisms

Кофакторы расширяют каталитический репертуар белков. Окислительно-восстановительные коферменты, такие как NAD+ и FAD, переносят электроны и гидрид между субстратами и дыхательными или биосинтетическими путями, циклически переходя между окисленной и восстановленной формами (Verdin, 2015; Holm et al., 1996). Коферменты, переносящие группы, многие из которых получены из водорастворимых витаминов, переносят химические группы: например, пиридоксаль-5'-фосфат образует основание Шиффа, которое мобилизует химические свойства аминокислот (Eliot & Kirsch, 2004). Ионы металлов действуют как кислоты Льюиса, окислительно-восстановительные центры или структурные якоря. Диссоциирующий кофермент ведет себя как косубстрат, который потребляется и регенерируется, тогда как простетическая группа остается связанной на протяжении всего каталитического цикла. Апофермент неактивен до тех пор, пока он не свяжет свой кофактор, образуя функциональный холофермент (Nelson & Cox, 2021).

Clinical relevance

Поскольку многие коферменты являются производными витаминов и микроэлементов, биохимия кофакторов лежит в основе связи между статусом микронутриентов и функцией ферментов, описанной в нутрициологии и метаболизме. Темы, представленные здесь, объясняют, как кофакторы обеспечивают катализ на механистическом уровне; они описывают биохимию и не являются основой для индивидуальной диагностики, дозирования или лечения.

History

Концепция кофакторов возникла из работ начала XX века, показавших, что для функционирования ферментных белков необходимы диализируемые, термостабильные «коферменты», и что некоторые из них были связаны с недавно открытыми витаминами. Структурные и механистические исследования в конце XX века затем определили, как функционируют окислительно-восстановительные коферменты, коферменты, производные витаминов, и металлические центры, что было обобщено в обзорах биологических металлических центров, а также пиридоксальфосфата и родственных коферментов (Holm et al., 1996; Eliot & Kirsch, 2004).

Seminal works

• holm-1996
• eliot-2004
• verdin-2015

Frequently asked questions

В чем разница между коферментом и кофактором?

Кофактор — это общий термин для любого небелкового компонента, необходимого ферменту; кофермент относится конкретно к органическим кофакторам (таким как NAD+ или кофермент А), тогда как ионы металлов являются неорганическими кофакторами.

Что такое простетическая группа?

Простетическая группа — это кофактор, который прочно или ковалентно связан с ферментом и остается присоединенным на протяжении всего каталитического цикла, в отличие от диссоциирующего кофермента, который приходит и уходит как косубстрат.