Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 2 - Д. Мецлер 1980
Типы реакций, катализируемых ферментами
Коферменты - особые природные специализированные реагенты
Большинство реакций, рассмотренных в гл. 7, катализируется ферментами, содержащими лишь такие функциональные группы, которые находятся в боковых цепях аминокислот. Коферменты часто выступают в роли дополнительных реагентов, необходимых для реакций, протекание которых было бы затруднено или невозможно, если бы в основе действия фермента лежал простой кислотно-основный катализ. Во многих случаях коферменты служат также переносчиками — катализаторами, которые попеременно принимают и отдают химические группы, атомы водорода или электроны.
Коферменты можно разделить на три группы:
1. Соединения с высоким потенциалом переноса химических групп, такие, как АТР и GTP, которые участвуют в трансформации энергии в клетках. Поскольку освобождение АТР из комплекса с ферментом происходит только после его расщепления, АТР чаще считают субстратом, а не коферментом. Однако АТР можно рассматривать и как фосфорилированную форму АМР или ADP, являющуюся переносчиком «высокоэнергетических» фосфатных групп.
2. Соединения, часто являющиеся производными витаминов (дополнение 8-А), которые, находясь в активном центре фермента, взаимодействуют с субстратом и так изменяют его структуру, что его реакционноспособность повышается. Большинство коферментов, в том числе кофермент А (СоА), пиридоксальфосфат, тиаминдифосфат и коферментные формы витамина B12, относится к этой группе.
3. Окислительные коферменты, в состав которых входят особые структуры со строго определенным окислительно-восстановительным потенциалом; коферменты этой группы выступают в роли переносчиков атомов водорода или электронов, как, например, NAD+, NADP+, FAD и липоевая кислота.
Некоторые коферменты, такие, как NAD+ и NADP+, легко освобождаются из комплексов с белками и обеспечивают таким образом перенос атомов водорода от одного фермента к другому. В то же время многие коферменты, например FAD, связаны более прочно и если даже высвобождаются из комплекса с белком-катализатором, то очень редко. Группы гема нередко ковалентно связаны с белками, например с цитохромом с, и не могут отщепиться без разрушения фермента. Очень прочно связанные коферменты часто называют простетическими группами, однако резкой границы между простетическими группами и непрочно связанными коферментами не существует.
Дополнение 8-А
Открытие витаминов
Вплоть до настоящего столетия были широко распространены некоторые загадочные и нередко смертельные заболевания, причиной которых была недостаточность витаминов. Их жертвами часто становились моряки во время длительных плаваний. Несколько веков назад нашлись проницательные люди, сообразившие, что причиной этих заболеваний является неправильное питание. На Востоке свирепствовало заболевание бери-бери — миллионы людей погибали от связанных с этой болезнью странных параличей (полиневрита). Один мой друг — китаец рассказывал мне, что многие поколения китайцев знали, что отвар рисовых отрубей излечивает бери-бери, но либо эти сведения не получили широкого распространения, либо к ним относились скептически.
В 1893 г. голландский врач Эйкман, работавший на о. Ява, экспреиментальным путем вызывал паралич у цыплят, скармливая им белый полированный рис, потребляемый местным населением. Эйкман показал также, что явления паралича быстро исчезают при добавлении в корм экстракта рисовых отрубей. Вначале он полагал, что в белом рисе имеется какое-то токсическое соединение, которое нейтрализуется каким-то веществом из отрубей. Позднее он пришел к правильному выводу, что рисовые отруби содержат необходимое питательное вещество.
В 1912 г. польский биохимик Казимир Функ сформулировал «теорию витаминов», согласно которой заболевания бери-бери, пеллагра, рахит и цинга обусловлены отсутствием в пище четырех различных жизненно важных питательных веществ. Функ думал, что все они являются аминами, откуда и произошло название витамины (vitamine). В том же году в Англии Ф. Гопкинс сообщил, что он содержал крыс на рационе, составленном из очищенных продуктов, и обнаружил при этом, что для нормального роста необходимы удивительно малые количества «дополнительных факторов роста», которые можно получить из молока1).
К 1915 г. Мак-Коллум и Дэвис в Висконсинском университете установили, что рост крыс зависит не от одного, а от двух дополнительных факторов. Один из них, растворимый в органических растворителях, они назвали «А», а другой, растворимый в воде, обозначали как «В». Фактор В излечивал цыплят от бери-бери. Несколько лет спустя, когда было показано, что витамин А не является амином, буква «е» на конце слова vitamine была опущена, и для обозначения дополнительных факторов роста был принят термин vitamin.
Успехи в выделении витаминов развивались медленно, что в основном объяснялось недостаточно большим интересом к ним. По мнению Р. Р. Вильямса, в то время, когда он начал свою работу по выделению фактора, препятствующего развитию бери-бери (1910 г.), большинство ученых были убеждены в том, что все его попытки обречены на провал: столь глубоко укоренились идеи Пастера о том, что болезни вызываются только бактериями.
1) За эти открытия Функ и Гопкинс получили в 1929 г Нобелевскую премию по медицине.
В 1926 г. Янсен выделил небольшое количество тиамина, однако лишь в 1933 г. Вильямс, работавший практически без финансовой поддержки, сумел получить относительно большое количество кристаллического соединения из рисовых отрубей. Вслед за этим довольно быстро были изучены его свойства и проведен химический синтез.
Вскоре стало ясно, что новый витамин не полностью удовлетворяет пищевые потребности крыс в факторе В. Кроме того, оказалось, что помимо тиамина (витамина B1), который был очень неустойчив и легко разрушался при нагревании, необходим еще и другой, термостабильный фактор (витамин В2). Через несколько лет выяснилось, что этот другой фактор также содержит более чем одно соединение. Эту смесь стали называть комплексом витаминов В2. Путаница существовала до тех пор, пока для каждого из компонентов не были разработаны относительно специфичные тесты на животных. Было установлено, что, в то время как за стимулирование роста отвечает в основном рибофлавин, витамин В6 предупреждает поражение кожи мордочки, или «пеллагры», у крыс. Пантотеновая кислота особенно эффективна при лечении дерматита у цыплят, тогда как никотинамид оказался необходимым для лечения пеллагры у человека. Биотин необходим для роста дрожжей.
Вещество, проявляющее противоцинготную (антискорбутную) активность, назвали витамином С, а когда стала известна его структура, — аскорбиновой кислотой. Жирорастворимый фактор, предупреждающий рахит, обозначили как витамин D. К 1922 г. стало ясно, что существует еще один жирорастворимый фактор (витамин Е), необходимый для нормального течения беременности у крыс, а в начале 30-х годов список витаминов пополнили витамин К и незаменимые жирные кислоты. В результате изучения болезней крови у человека — тропической макроцитарной анемии и пернициозной анемии — были открыты еще два водорастворимых витамина: фолиевая кислота и витамин В12. Последний, требующийся в ничтожно малом количестве, был выделен лишь в 1948 г.
Все ли витамины открыты? Большинство ученых полагают что все. Можно вырастить крыс на практически полностью синтетической диете. Однако всегда существует вероятность того, что для полного здоровья человеку необходимы какие-то, пока еще не открытые вещества, содержащиеся в нашей пище.