Коензими, простетични групи, метални йони
Понастоящем са получени неопровержими експериментални доказателства за протеиновата природа на ензимите. Единственото изключение от тази ситуация е откриването в молекула на редица прекурсори на РНК на ензимна активност, нареченарибозими катализираща самосплайсинг, т.е. разцепване на интронни нетранслирани последователности от прекурсора на РНК.
Ензимите, както всички протеини, имат редица свойства, характерни за високомолекулните съединения: амфотерност, електрофоретична подвижност и неспособност да се диализира през полупропускливи мембрани. Подобно на протеините, ензимите имат голямо молекулно тегло: от десетки хиляди до няколко милиона Da. Те притежават всички характеристики на структурната организация на белтъчните молекули (първично, вторично, третично и кватернерно ниво на организация).
В природата съществуват кактопрости, така исложни ензими. Повечето естествени ензими принадлежат към класа на сложните протеини, съдържащи, в допълнение към полипептидните вериги, някои непротеинови компоненти (кофактор), чието присъствие е абсолютно необходимо за каталитична активност. Кофакторите могат да имат различна химична природа и да се различават по силата на връзката с полипептидната верига (фиг. 1.4.1).
Ако константата на дисоциация на сложен ензим е толкова малка, че в разтвора всички полипептидни вериги са свързани с техните кофактори и не се разделят по време на изолирането и пречистването, тогава такъв ензим се наричахолоензим(холоензим), а кофакторът е името напростетичната група, считана за неразделна част от ензимната молекула (например FAD, FMN, биотин, липоева киселина). Полипептидната част на ензима се наричаапоензим. Ако допълнителногрупата лесно се отделя от апоензима по време на диализа, в който случай се наричакоензим (напр. NAD+, NADP+). В допълнение, металите могат да играят ролята на кофактор: Mg 2+, Mn 2+, Ca 2+ и др.
Химическата природа на кофакторите, техните функции в ензимните реакции са много разнообразни. Според една от класификациите всички коензими и простетични групи са разделени на 2 групи:
1. производни на витамини (Таблица 1.4.1);
2. невитаминни кофактори.
Най-важните коензими и простетични групи ензими
Невитаминните кофактори включват следните съединения: HS-глутатион, АТФ, липоева киселина, нуклеозидни производни (уридин фосфат, цитидин фосфат, фосфоаденозин фосфосулфат), порфирин-съдържащи вещества и др. Те могат да включват и тРНК, които като част от аминоацил-тРНК синтетазите участват активно в транспорта на аминокиселини до рибозомата e, където се извършва протеинов синтез.
Трябва да се отбележи една отличителна черта на двукомпонентните) ензими: нито кофакторът поотделно (включително повечето коензими), нито самият апоензим са надарени с каталитична активност и само тяхната комбинация, която не протича произволно, а в съответствие с програмата на тяхната структурна организация, осигурява бърз ход на химичната реакция.
Класификация на кофакторите
Всички кофактори (коензими и простетични групи) са нискомолекулни органични съединения, като правило, съдържащи система от р-връзки и хетероатоми. Понастоящем е приета класификацията на кофакторите според техните функционални характеристики. В съответствие с това всички кофактори се разделят на три групи:
1. редокс кофактори: никотинамид аденин динуклеотид (фосфат) (NAD, NADP), флавин мононуклеотид (FMN),флавин аденин динуклеотид (FAD), железни порфирини, убихинон, аскорбинова киселина. Тези кофактори са свързани с клас оксидоредуктази;
2. кофактори за групов трансфер: нуклеозидни фосфати, захарни фосфати, коензим А (CoA, HSCoA, фолиева киселина, пиридоксал фосфат. Тези кофактори са свързани с клас трансферази;
3. кофактори на процесите на синтез, изомеризация и разцепване на С-С връзки: тиамин дифосфат, биотин, глутатион, коензими кобамид. Тези кофактори са свързани с ензими от класовете лиази, изомерази и лигази и представляват най-малката група от кофактори.
Кофакторни функции
Условно могат да се разграничат две функции на кофакторите:
1. Пряко участие в каталитичното превръщане на субстрата от един ензимен протеин. В този случай кофакторът може да функционира или като катализатор, който се регенерира след всеки акт на субстратна трансформация (пиридоксал-5-фосфат, тиамин дифосфат, FMN, FAD, биотин и др.), или като косубстрат (NAD, NADF и др.). В последния случай регенерацията на първоначалната форма на коензима се извършва от друг ензим в свързана реакция.
2. Активиране и прехвърляне на субстратна молекула (или част от нея) от един ензим към друг. При този вариант субстратът първоначално реагира с коензима в активния център на ензима по такъв начин, че се образува ново реактивно производно на субстрата, което обаче е доста стабилно във водна среда (ацил коензим А, нуклеозид дифосфосахар, производни на тетрахидрофолиевата киселина, съдържащи едновъглероден остатък). След това полученото производно на субстрата се свързва с друг ензим, в активния център на който се извършва каталитична трансформация на субстрата с едновременна (или последваща) регенерация на кофактора.