Кофермент и кофактор: отличия и примеры из биохимии

Большинство ферментов не работают в одиночку: белковая часть сама по себе либо не способна катализировать реакцию, либо работает многократно хуже. Ей нужен небелковый помощник - кофактор. Именно это понятие лежит в основе трёх-четырёх вопросов на любом экзамене по биохимии. Разобраться, чем кофермент отличается от кофактора и как всё это связывается в единый холофермент, поможет форма ниже - или продолжайте читать по порядку.

Что такое апофермент и холофермент

Чтобы понять кофакторы, нужно сначала разобраться с терминами «апофермент» и «холофермент». Апофермент - это белковая часть фермента, лишённая небелкового компонента. Сам по себе апофермент, как правило, каталитически неактивен или резко снижает скорость реакции. Холофермент - полный, функционально активный фермент, в котором белковая часть соединена с небелковым компонентом.

Схематично: Апофермент + кофактор = Холофермент (активный)

Эта классификация принципиальна: без понимания этой формулы невозможно ни объяснить регуляцию ферментативной активности, ни разобраться, почему дефицит витаминов так быстро сказывается на обмене веществ.

Кофактор: общее понятие

Кофактор - это любой небелковый компонент, необходимый для каталитической активности фермента. Термин широкий: под него подпадают и органические молекулы, и неорганические ионы.

Кофакторы делят на три группы:

• Ионы металлов (неорганические кофакторы): $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Fe}^{2+/3+}$, $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Mn}^{2+}$ и другие.
• Коферменты (органические кофакторы, рыхло связанные с ферментом).
• Простетические группы (органические кофакторы, прочно или ковалентно связанные с апоферментом).

Таким образом, кофермент - это разновидность кофактора, а не его синоним. На экзамене это ключевое место, где студенты чаще всего путаются.

Рассчитать для своей задачи

Чем кофермент отличается от кофактора

Главное отличие - химическая природа и прочность связи:

Коферменты часто называют «молекулярными шаттлами»: они переносят химические группы от одного фермента к другому. Например, $\text{НАД}^+$ принимает гидрид-ион $\text{H}^-$ в одной реакции, а затем в другой реакции отдаёт его - то есть «курсирует» между катаболическими и анаболическими путями.

НАД+ и НАДФ+: самые важные коферменты

НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ+ (его фосфорилированный аналог) - переносчики электронов и протонов. Образуются из витамина $\text{B}_3$ (ниацин, никотиновая кислота).

Реакция восстановления: $\text{НАД}^+ + \text{H}^- \rightarrow \text{НАДН} + \text{H}^+$

• НАД+ работает преимущественно в катаболизме: гликолиз, цикл Кребса, $\beta$-окисление жирных кислот.
• НАДФ+ - в анаболизме: биосинтез жирных кислот, пентозофосфатный путь, реакции обезвреживания.

ФАД (флавинадениндинуклеотид) образуется из витамина $\text{B}_2$ (рибофлавин). Участвует в окислении сукцината (сукцинатдегидрогеназа цикла Кребса) и в цепи переноса электронов митохондрий: $\text{ФАД} + 2\text{H}^+ + 2e^- \rightarrow \text{ФАДН}_2$

В отличие от НАД+, ФАД прочнее связан с ферментом - поэтому некоторые авторы классифицируют его как простетическую группу.

Ионы металлов как кофакторы: примеры

Ионы металлов часто входят в активный центр фермента и напрямую участвуют в катализе: поляризуют субстрат, стабилизируют переходное состояние или обеспечивают правильную ориентацию молекулы.

Магний $\text{Mg}^{2+}$ - обязательный кофактор гексокиназы, пируваткиназы, АТФаз. Он координирует фосфатные группы АТФ, снижая их электронную плотность и делая фосфат более доступным для нуклеофильной атаки.

Цинк $\text{Zn}^{2+}$ - активный центр карбоангидразы. Именно ион цинка активирует молекулу воды, превращая её в гидроксид-ион, который атакует $\text{CO}_2$: $\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Zn}^{2+}} \text{H}_2\text{CO}_3 \rightarrow \text{HCO}_3^- + \text{H}^+$

Железо $\text{Fe}^{2+/3+}$ - в цитохромах цепи переноса электронов и в каталазе. Цитохромы осуществляют одноэлектронный перенос за счёт обратимого переключения $\text{Fe}^{2+} \leftrightarrow \text{Fe}^{3+}$.

Рассчитать для своей задачи

Простетические группы: прочная связь

Простетическая группа - органический кофактор, связанный с апоферментом прочно или ковалентно. Она не диссоциирует в ходе реакции и не переходит к другому ферменту.

Классический пример - гем в молекулах каталазы, пероксидазы и миоглобина. Гем - производное порфирина с ионом $\text{Fe}^{2+}$ в центре. В каталазе он расщепляет перекись водорода: $2\text{H}_2\text{O}_2 \xrightarrow{\text{каталаза}} 2\text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$

Другой пример - пиридоксальфосфат (ПЛФ), кофермент аминотрансфераз и декарбоксилаз аминокислот. ПЛФ образуется из витамина $\text{B}_6$ и связан с $\varepsilon$-аминогруппой лизина апофермента через шиффово основание - это ковалентная, но обратимая связь. Именно поэтому ПЛФ одни авторы называют коферментом, другие - простетической группой (формально он занимает пограничное положение).

Ещё один важный пример - тиаминдифосфат (ТДФ), производное витамина $\text{B}_1$. Он входит в состав пируватдегидрогеназного комплекса и участвует в окислительном декарбоксилировании пирувата.

Коэнзим А: ещё один ключевой кофермент

Кофермент А (КоА) - универсальный переносчик ацильных групп. Образуется из пантотеновой кислоты (витамин $\text{B}_5$). В ключевых реакциях метаболизма он присоединяет ацетильную группу: $\text{КоА} + \text{ацетат} \rightarrow \text{Ацетил-КоА}$

Ацетил-КоА входит в цикл Кребса, участвует в синтезе жирных кислот, холестерина, кетоновых тел. Фактически КоА - «активационный агент» для переноса углеродных фрагментов.

Структура КоА включает три функциональных блока: аденозин-3',5'-дифосфат (якорная часть, отвечающая за специфическое узнавание ферментом), пантотеновую кислоту (структурный линкер) и тиоэтаноламин с реакционноспособной SH-группой. Именно тиольная группа $-\text{SH}$ атакует ацильный фрагмент и образует тиоэфир $-\text{S-CO-R}$, что активирует ацил для последующего переноса.

Классификация кофакторов по функции

Понять роль кофакторов проще, если сгруппировать их не по химической природе, а по тому, что именно они переносят:

Переносчики водорода (электронов и протонов):

• $\text{НАД}^+$ / $\text{НАДН}$ - основной «электронный такси» в катаболизме.
• $\text{НАДФ}^+$ / $\text{НАДФН}$ - в анаболических и защитных реакциях.
• $\text{ФАД}$ / $\text{ФАДН}_2$ - в сукцинатдегидрогеназе и других флавопротеинах.
• $\text{ФМН}$ (флавинмононуклеотид, производное $\text{B}_2$) - первый акцептор в НАДН-дегидрогеназе (комплекс I).

Переносчики ацильных групп:

• Кофермент А - переносит ацетил, малонил, сукцинил и другие ацилы.

Переносчики одноуглеродных групп:

• Тетрагидрофолат (ТГФ, кофермент фолиевой кислоты, витамин $\text{B}_9$) - переносит метильные, метиленовые, формильные группы в синтезе пуринов и тимидина.
• $\text{S}$-аденозилметионин (SAM) - главный донор метильных групп в реакциях метилирования ДНК, гистонов, нейромедиаторов.

Переносчики аминогрупп:

• Пиридоксальфосфат (ПЛФ) - кофермент аминотрансфераз, катализирующих переаминирование: перенос аминогруппы от аминокислоты на кетокислоту.

Ионы металлов - катализаторы без переноса: Они не переходят от молекулы к молекуле, а остаются в активном центре, где изменяют электронную структуру субстрата. $\text{Cu}^{2+}$ в цитохромоксидазе (комплекс IV) принимает электроны от цитохрома с и передаёт их на $\text{O}_2$; $\text{Mn}^{2+}$ в супероксиддисмутазе катализирует дисмутацию $\text{O}_2^{-\bullet}$.

Частые ошибки

• Путать «кофактор» и «кофермент»: кофактор - широкое понятие (органика + металлы), кофермент - только органическая молекула, рыхло связанная с ферментом.
• Считать простетическую группу синонимом кофермента: простетическая группа - органический кофактор, но прочно связанный. Это отдельная категория.
• Забывать витаминную природу коферментов: НАД+ - от ниацина ($\text{B}_3$), ФАД - от рибофлавина ($\text{B}_2$), ТДФ - от тиамина ($\text{B}_1$), ПЛФ - от пиридоксина ($\text{B}_6$), КоА - от пантотеновой кислоты ($\text{B}_5$).
• Утверждать, что без кофермента фермент вообще не существует: апофермент существует, он просто неактивен. Именно это позволяет регулировать активность ферментов через доступность кофакторов.
• Считать ионы металлов «не настоящими» кофакторами: $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Fe}^{2+}$ - полноценные кофакторы, их дефицит так же нарушает катализ, как дефицит витаминов.

FAQ

Может ли один кофермент работать с несколькими разными ферментами? Да, и это принципиальная особенность коферментов. НАД+, например, взаимодействует с десятками различных дегидрогеназ. Именно поэтому его называют «молекулярным шаттлом»: он переносит водород от субстрата к дыхательной цепи, не будучи жёстко «закреплён» за одним ферментом.

Почему дефицит витаминов приводит к ферментопатиям? Большинство водорастворимых витаминов ($\text{B}_1$, $\text{B}_2$, $\text{B}_3$, $\text{B}_5$, $\text{B}_6$) являются предшественниками коферментов. Если витамина не хватает, организм не может синтезировать достаточно кофермента, апоферменты остаются неактивными и целые метаболические пути замедляются или блокируются. Это и есть биохимическая основа авитаминозов.

Чем кофермент Q (убихинон) отличается от НАД? Убихинон ($\text{CoQ}$) - жирорастворимый кофермент, встроенный во внутреннюю мембрану митохондрий. Он переносит электроны между комплексами I/II и комплексом III дыхательной цепи. В отличие от НАД+, он не синтезируется из витамина: организм производит его самостоятельно. По прочности связи - скорее простетическая группа, хотя некоторые классификации выделяют его отдельно.

Коротко

Кофактор - общий термин для любого небелкового помощника фермента: это могут быть ионы металлов ($\text{Mg}^{2+}$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Fe}^{2+}$) или органические молекулы. Органические кофакторы делятся на коферменты (рыхло связанные, часто переносчики групп: НАД+, ФАД, КоА) и простетические группы (прочно или ковалентно связанные: гем, ПЛФ). Большинство коферментов образуются из витаминов группы B, поэтому дефицит этих витаминов напрямую выключает ферментативные реакции. Апофермент без кофактора неактивен; только в составе холофермента система работает.