Введение

Кофактор – это небелковое химическое соединение или металлический ион, необходимый для каталитической функции фермента (катализатор – это вещество, ускоряющее химическую реакцию). Кофакторы можно рассматривать как "молекулы-помощники", способствующие биохимическим превращениям. Скорость этих превращений изучается в области, называемой кинетикой ферментов. Кофакторы обычно отличаются от лигандов тем, что часто сохраняют свою функцию, оставаясь связанными. Кофакторы классифицируются на два типа: неорганические ионы и сложные органические молекулы, называемые коферментами. Коферменты в основном происходят из витаминов и других органических незаменимых питательных веществ в небольших количествах. (Некоторые ученые ограничивают термин "кофактор" неорганическими веществами; здесь рассматриваются оба типа.) Коферменты подразделяются на два типа. Первый – "протезная группа", представляющая собой кофермент, который прочно (или даже ковалентно) и постоянно связан с белком. Второй тип коферментов называется "косубстратами" и связывается с белком временно. Косубстраты могут отщепляться от белка и затем вновь связываться с ним. И протезные группы, и косубстраты выполняют одну и ту же функцию – облегчают реакцию ферментов и белков. Неактивный фермент без кофактора называется апоферментом, а полный фермент с кофактором – голоферментом. (Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) определяет "кофермент" несколько иначе, а именно как органическое соединение с низкой молекулярной массой, не содержащее белка, которое слабо связано и участвует в ферментативных реакциях в качестве диссоциирующего переносчика химических групп или электронов; протезная группа определяется как плотно связанная, неполипептидная единица в белке, которая регенерируется при каждом ферментативном обороте.) Некоторые ферменты или ферментные комплексы требуют несколько кофакторов. Например, мультиферментный комплекс пируватдегидрогеназы, находящийся на стыке гликолиза и цикла трикарбоновых кислот, требует пять органических кофакторов и один металлический ион: слабо связанный тиаминпирофосфат (TPP), ковалентно связанный липоамид и флавинадениндинуклеотид (FAD), косубстраты никотинамидадениндинуклеотид (NAD+) и кофермент А (CoA), а также металлический ион (Mg2+). Органические кофакторы часто являются витаминами или производными витаминов. Многие содержат нуклеотид аденозинмонофосфат (AMP) в своей структуре, например АТФ, кофермент А, FAD и NAD+. Эта общая структура может отражать общее эволюционное происхождение как части рибозимов в древнем РНК-мире. Предполагается, что AMP-часть молекулы можно рассматривать как своего рода "ручку", с помощью которой фермент может "захватывать" кофермент для переключения между различными каталитическими центрами.

Клесты железа и серы

Железо-серные кластеры — это комплексы атомов железа и серы, удерживаемые в белках цистеиновыми остатками. Они выполняют как структурные, так и функциональные роли, включая перенос электронов, распознавание окислительно-восстановительного потенциала и служат структурными модулями.

Органические

Органические кофакторы – это небольшие органические молекулы (обычно с молекулярной массой менее 1000 Да), которые могут быть связаны с ферментом слабо или прочно и непосредственно участвовать в реакции. В последнем случае, когда их трудно удалить без денатурации фермента, их можно назвать протезными группами. Важно подчеркнуть, что не существует чёткой границы между слабо и прочно связанными кофакторами. Другие коферменты, такие как флавин-адениндинуклеотид (FAD), биотин и липоамид, например, связаны прочно. Прочно связанные кофакторы, как правило, регенерируются в ходе одного и того же реакционного цикла, тогда как слабо связанные кофакторы могут регенерироваться в последующей реакции, катализируемой другим ферментом. В последнем случае кофактор также может рассматриваться как субстрат или косубстрат. Витамины могут служить предшественниками многих органических кофакторов (например, витамины B1, B2, B6, B12, ниацин, фолиевая кислота) или сами выступать в роли коферментов (например, витамин C). Однако витамины выполняют и другие функции в организме. Многие органические кофакторы также содержат нуклеотид, например, переносчики электронов NAD и FAD, и кофермент A, который переносит ацильные группы. Большинство этих кофакторов встречается у широкого спектра видов, а некоторые универсальны для всех форм жизни. Исключением из такого широкого распространения является группа уникальных кофакторов, которые эволюционировали у метаногенов и ограничены этой группой архей.

Кофакторы как промежуточные продукты метаболизма

Метаболизм включает в себя огромное количество химических реакций, но большинство из них относятся к нескольким основным типам, включающим перенос функциональных групп. Эта общая химическая основа позволяет клеткам использовать небольшой набор метаболических промежуточных соединений для переноса химических групп между различными реакциями. Эти промежуточные соединения, участвующие в переносе групп, представляют собой слабосвязанные органические кофакторы, часто называемые коферментами. Каждый класс реакций переноса групп катализируется определенным кофактором, который является субстратом для набора ферментов, синтезирующих его, и набора ферментов, потребляющих его. Примером служат дегидрогеназы, использующие никотинамид адениндинуклеотид (NAD+) в качестве кофактора. Здесь сотни различных типов ферментов удаляют электроны из своих субстратов и восстанавливают NAD+ до NADH. Этот восстановленный кофактор затем становится субстратом для любой из редуктаз в клетке, которым необходимы электроны для восстановления их собственных субстратов. Таким образом, эти кофакторы непрерывно рециркулируют в процессе метаболизма. Например, общее количество АТФ в организме человека составляет около 0,1 моля. Этот АТФ постоянно расщепляется до АДФ, а затем вновь превращается в АТФ. Следовательно, общее количество АТФ + АДФ в любой момент времени остается относительно постоянным. Энергия, потребляемая клетками человека, требует гидролиза от 100 до 150 молей АТФ ежедневно, что составляет примерно 50–75 кг. В типичных условиях люди используют количество АТФ, равное их весу, в течение дня. Это означает, что каждая молекула АТФ рециркулирует от 1000 до 1500 раз в день.

Эволюция

Органические кофакторы, такие как АТФ и НАДН, присутствуют во всех известных формах жизни и составляют основу метаболизма. Такая повсеместная сохранность указывает на то, что эти молекулы эволюционировали на очень ранних этапах развития жизни. Следовательно, по крайней мере, некоторые из современных кофакторов могли присутствовать у последнего универсального предка, жившего около 4 миллиардов лет назад. Органические кофакторы могли появиться еще раньше в истории жизни на Земле. Нуклеотид аденозин входит в состав кофакторов, катализирующих многие основные метаболические реакции, такие как перенос метильных, ацильных и фосфорильных групп, а также окислительно-восстановительные реакции. Этот широко распространенный химический каркас, таким образом, был предложен как остаток мира РНК, где ранние рибозимы эволюционировали для связывания с ограниченным набором нуклеотидов и родственных соединений. Предполагается, что кофакторы на основе аденозина функционировали как взаимозаменяемые адаптеры, позволявшие ферментам и рибозимам связывать новые кофакторы посредством небольших модификаций в существующих доменах связывания аденозина, которые первоначально эволюционировали для связывания с другим кофактором. Этот процесс адаптации предварительно сформировавшейся структуры для нового использования известен как экспатация. Недавно разработанный вычислительный метод IPRO предсказал мутации, которые экспериментально переключили специфичность кофактора ксилозоредуктазы Candida boidinii с NADPH на NADH.

История

Первым обнаруженным органическим кофактором был NAD+, который был идентифицирован Артуром Харденом и Уильямом Янгом в 1906 году. Они заметили, что добавление кипяченого и отфильтрованного дрожжевого экстракта значительно ускоряет спиртовую ферментацию в некипяченом дрожжевом экстракте. Неизвестный фактор, ответственный за этот эффект, они назвали коферментом. В результате длительной и сложной очистки из дрожжевых экстрактов этот термостабильный фактор был идентифицирован Хансом фон Эйлером-Хелпином как нуклеотидный фосфат сахара. Другие кофакторы были идентифицированы в начале XX века, АТФ был выделен в 1929 году Карлом Ломанном, а кофермент А был открыт в 1945 году Фрицем Альбертом Липманном. Функции этих молекул поначалу оставались загадкой, но в 1936 году Отто Генрих Варбург установил функцию NAD+ в переносе гидрид-ионов. За этим открытием в начале 1940-х годов последовала работа Германа Калькара, который установил связь между окислением сахаров и образованием АТФ. Это подтвердило центральную роль АТФ в передаче энергии, предложенную Фрицем Альбертом Липманном в 1941 году. Позднее, в 1949 году, Моррис Фридкин и Альберт Л. Ленингер доказали, что NAD+ связывает метаболические пути, такие как цикл лимонной кислоты и синтез АТФ.

Кофакторы, полученные из белков

В ряде ферментов фрагмент, выполняющий роль кофактора, формируется в результате посттрансляционной модификации части аминокислотной последовательности белка. Это часто устраняет необходимость во внешнем связывающем факторе, таком как ион металла, для осуществления функции белка. Возможные модификации включают окисление ароматических остатков, образование связей между остатками, расщепление или циклизацию. Эти изменения отличаются от других посттрансляционных модификаций белка, таких как фосфорилирование, метилирование или гликозилирование, тем, что аминокислоты обычно приобретают новые функциональные возможности. Это расширяет функциональность белка; немодифицированные аминокислоты, как правило, ограничены кислотно-основными реакциями, в то время как модификация остатков может придать белку электрофильные центры или способность стабилизировать свободные радикалы, например, 4-метилиденимидазол-5-он (MIO), получаемый из мотива Ala-Ser-Gly. Характеризация кофакторов, происходящих из белка, проводится с помощью рентгеновской кристаллографии и масс-спектрометрии; структурные данные необходимы, поскольку секвенирование не позволяет легко идентифицировать модифицированные участки.

Неферментные кофакторы

Термин используется в других областях биологии для более широкого обозначения не белковых (или даже белковых) молекул, которые либо активируют, ингибируют, либо необходимы для функционирования белка. Например, лиганды, такие как гормоны, которые связываются и активируют белки-рецепторы, называются кофакторами или коактиваторами, в то время как молекулы, ингибирующие белки-рецепторы, называются корепрессорами. Одним из таких примеров является семейство рецепторов, связанных с G-белком, которые часто встречаются в сенсорных нейронах. Связывание лиганда с рецептором активирует G-белок, который затем активирует фермент для активации эффектора. Чтобы избежать путаницы, было предложено называть такие белки, активация или репрессия которых опосредована связыванием лиганда, коррегуляторами.