Ферменты и кофакторы
Как работают ферменты
linkОпора
- Урок 380. Белки: уровни структуры — объяснять первичную — четвертичную структуру
Ферменты — белки (урок 380), которые ускоряют реакции в клетке в миллионы и миллиарды раз. В активном центре фермента боковые цепи аминокислот расположены так, что субстрат одновременно встречает кислоту, основание и нуклеофил. Поэтому механизм ферментативной реакции складывается из тех же приёмов, что и механизмы обычных органических реакций.
Как отнести фермент к классу и понять механизм
- Определите класс фермента по реакции: окисление и восстановление катализируют оксидоредуктазы, перенос группы — трансферазы, гидролиз — гидролазы, отщепление с образованием кратной связи или присоединение к ней — лиазы, изомеризацию — изомеразы, образование связи за счёт гидролиза АТФ — лигазы.
- Разберите механизм как органическую реакцию: в активном центре работают общий кислотный и основный катализ (часто остаток His), нуклеофильный катализ (Ser, Cys), ионы металлов как кислоты Льюиса и водородные связи, стабилизирующие переходное состояние.
- В сериновых протеазах (химотрипсин, трипсин) остаток His отнимает протон у группы OH серина, и атом кислорода серина атакует карбонильную группу пептидной связи. Тетраэдрический интермедиат стабилизирован водородными связями в «оксианионной дыре» и распадается с образованием ацилфермента, который затем гидролизуется водой.
- Специфичность задаёт карман связывания: у трипсина на дне кармана находится остаток Asp, который притягивает положительно заряженные боковые цепи Lys и Arg, а гидрофобный карман химотрипсина вмещает боковые цепи Phe, Tyr и Trp.
Примеры
1. Классы ферментов. Алкогольдегидрогеназа окисляет этанол в ацетальдегид (\(\ce{C2H5OH -> CH3CHO}\)) с участием NAD⁺, поэтому она оксидоредуктаза. Фумараза присоединяет воду к двойной связи фумарата с образованием малата и относится к лиазам.
2. Карбоангидраза. Ион \(\ce{Zn^2+}\) в активном центре карбоангидразы снижает pKa связанной молекулы воды примерно с 15,7 до 7, и образовавшийся гидроксид-ион атакует \(\ce{CO2}\) с образованием гидрокарбонат-иона.
errorФермент ускоряет реакцию, но не сдвигает равновесие
Катализатор одинаково снижает энергию активации прямой и обратной реакций, поэтому константа равновесия и ΔG реакции не меняются.
edit_noteПопробуйте сами
К какому классу относится гексокиназа, которая катализирует реакцию глюкоза + АТФ → глюкозо-6-фосфат + АДФ?
expand_moreПоказать решение
К трансферазам: она переносит фосфатную группу с АТФ на глюкозу.
Коферменты
Боковые цепи двадцати аминокислот пригодны для кислотно-основного и нуклеофильного катализа, но окислять, восстанавливать и перестраивать углеродный скелет с их помощью трудно. Эти задачи выполняют коферменты — небольшие органические молекулы, многие из которых образуются из витаминов. Каждый кофермент — специализированный реагент, и механизм его действия можно понять, опираясь на органическую химию.
Как понять, что делает кофермент
- NAD⁺ принимает гидрид-ион в положение 4 никотинамидного кольца и превращается в NADH, который может отдать гидрид обратно; перенос стереоспецифичен.
- FAD принимает два атома водорода (к атомам N1 и N5 флавина) и окисляет фрагмент \(\ce{CH2-CH2}\) во фрагмент \(\ce{CH=CH}\).
- Кофермент A (КоА–SH) образует тиоэфиры R–CO–SКоА — активированные ацильные группы.
- Тиаминпирофосфат депротонируется по атому C2 тиазолиевого кольца и образует илид, который присоединяется к α-кетокислоте и облегчает её декарбоксилирование.
- Пиридоксальфосфат образует с аминокислотой имин (основание Шиффа, урок 238), а пиридиниевое кольцо служит «электронным стоком» и облегчает разрыв связей у α-атома; так идут переаминирование, декарбоксилирование и рацемизация аминокислот.
Примеры
1. Лактатдегидрогеназа. Лактатдегидрогеназа восстанавливает пируват в лактат (уравнение выше): гидрид-ион переходит от NADH к карбонильной группе пирувата, как от \(\ce{NaBH4}\) к кетону (урок 200).
2. Переаминирование. Аланин \(\ce{CH3CH(NH2)COOH}\) передаёт аминогруппу α-кетоглутарату и превращается в пируват, а α-кетоглутарат — в глутамат; реакцию катализирует аланинаминотрансфераза с пиридоксальфосфатом.
errorNADH — донор гидрид-иона
NADH переносит гидрид-ион H⁻, то есть два электрона и протон; второй протон приходит из среды, поэтому в уравнениях пишут NADH + H⁺.
edit_noteПопробуйте сами
Какой кофермент нужен для декарбоксилирования пирувата в ацетальдегид?
expand_moreПоказать решение
Тиаминпирофосфат: его илид присоединяется к карбонильной группе пирувата и облегчает отщепление \(\ce{CO2}\).
push_pinГлавное
Ферменты — белковые катализаторы; шесть классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы. Приёмы катализа: сближение и ориентация субстратов, кислотно-основной катализ (His), ковалентный катализ (Ser сериновых протеаз: каталитическая триада Ser–His–Asp, ацилфермент), ионы металлов (\(\ce{Zn^2+}\) карбоангидразы), стабилизация переходного состояния (оксианионная дырка). Коферменты: NAD⁺/NADH переносит гидрид (C4 никотинамида), FAD/FADH₂ — два атома H, кофермент A образует тиоэфиры (ацетил-КоА), тиаминпирофосфат (илид тиазолия) декарбоксилирует α-кетокислоты, пиридоксальфосфат образует основание Шиффа с аминокислотами (переаминирование, декарбоксилирование, рацемизация), биотин переносит \(\ce{CO2}\). Многие коферменты — производные витаминов группы B.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.