Происхождение и роль в ферментах
Никотинамидные коферменты синтезируются в организме из специфических молекул-предшественников. Главным строительным блоком для их образования служит витамин $PP$ (также известный как ниацин или витамин $B_3$). В химическом плане предшественниками выступают никотиновая кислота и никотинамид.
В биохимических реакциях NAD+ и NADP+ не работают сами по себе. Они являются коферментами — небелковыми частями сложных ферментов, относящихся к классу оксидоредуктаз. Если говорить точнее, они входят в состав подкласса дегидрогеназ — ферментов, которые катализируют реакции отщепления атомов водорода от субстрата.
Механизм действия: перенос электронов и протонов
Основная задача никотинамидных коферментов — участие в окислении субстрата. Субстрат в данном случае выступает донором протонов (в схемах часто обозначается буквой $D$). Процесс протекает по строго определенному механизму:
- От молекулы окисляемого субстрата суммарно отщепляются 2 протона ($2H^+$) и 2 электрона ($2e^-$).
- Кофермент (NAD+ или NADP+) не забирает все эти частицы. К нему присоединяются только 1 протон ($H^+$) и 2 электрона ($2e^-$). Эта комбинация (один протон плюс два электрона) называется гидрид-ионом.
- Оставшийся, второй протон ($H^+$), не связывается с молекулой кофермента, а высвобождается в окружающую среду (в раствор).
Именно поэтому восстановленная форма кофермента всегда записывается с добавлением свободного протона: $NADH + H^+$ (или $NADPH + H^+$).
Химическая реакция и изменение структуры
Присоединение гидрид-иона приводит к значительным изменениям в структуре активной части кофермента — пиридинового кольца никотинамида.
- Окисленная форма ($NAD^+$ / $NADP^+$): пиридиновое кольцо является ароматическим. На атоме азота в этом кольце присутствует положительный заряд.
- Восстановленная форма ($NADH$ / $NADPH$): происходит восстановление пиридинового кольца. Ароматичность молекулы нарушается, а водород присоединяется к углероду в пара-положении по отношению к атому азота.
Этот переход между окисленным (ароматическим, заряженным) и восстановленным (неароматическим, незаряженным) состояниями и обеспечивает способность коферментов переносить восстановительные эквиваленты в клетке.
Коротко: ответы на вопросы по теме
В чем заключается биохимическое отличие функций NAD+ и NADP+ в метаболизме клетки?
Функции данных коферментов различаются участием их окисленных и восстановленных форм в метаболических реакциях.
| Кофермент | Функция |
|---|---|
| $NAD^+$ / $NADH$ | $NAD^+$ участвует в окислении субстратов и восстанавливается до $NADH+H^+$. В гликолизе при окислении глицеральдегид-3-фосфата образуется $NADH+H^+$; в анаэробных условиях $NADH$ используется для восстановления пирувата в лактат с регенерацией $NAD^+$. При катаболизме этанола требуется $NAD^+$, а количество $NADH$ увеличивается. |
| $NADP^+$ / $NADPH$ | $NADP^+$ восстанавливается до $NADPH+H^+$ в окислительном этапе пентозофосфатного пути. $NADPH$ используется как донор водорода в реакциях восстановления, включая синтез жирных кислот и холестерина, участвует в реакциях гидроксилирования при обезвреживании ксенобиотиков, восстановлении глутатиона и образовании активных форм кислорода при кислородном взрыве. |
Какие существуют примеры NAD-зависимых дегидрогеназ?
Примеры NAD-зависимых дегидрогеназ из источников:
- 3-Фосфоглицератдегидрогеназа — катализирует превращение 3-фосфоглицерата в 3-фосфогидроксипируват; при этом $NAD^+$ восстанавливается до $NADH+H^+$.
- Глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа — окисляет глицеральдегид-3-фосфат до 1,3-бисфосфоглицерата; продукт реакции — $NADH+H^+$.
- Лактатдегидрогеназа — катализирует реакцию: пируват + $NADH+H^+$ ⇄ лактат + $NAD^+$.
- Алкогольдегидрогеназа — фермент метаболизма этанола; для окисления этанола требуется $NAD^+$.
В каких конкретно метаболических путях происходит образование NADPH?
Образование NADPH происходит в ходе нескольких специфических метаболических путей и реакций.
- Пентозофосфатный путь — окислительный этап (реакции катализируют глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа и 6-фосфоглюконатдегидрогеназа).
- Превращение малата в пируват — декарбоксилирование малата с участием малик-фермента.
- Окисление изоцитрата — реакцию катализирует цитозольная изоцитратдегидрогеназа.
Запомнить распределение водорода легко: субстрат отдаёт «полный комплект» (2 протона и 2 электрона), но кофермент забирает себе гидрид-ион (1 протон + 2 электрона), а оставшийся 1 протон просто «выбрасывает» в среду. Отсюда и запись: NADH + H+.
Вопросы с занятий и экзамена
Из какого витамина образуются NAD+ и NADP+?
Их предшественником является витамин PP (ниацин, витамин B3), в форме никотиновой кислоты или никотинамида.
В состав каких ферментов входят никотинамидные коферменты?
Они работают в составе ферментов класса оксидоредуктаз, а именно — подкласса дегидрогеназ.
Как изменяется структура NAD+ при восстановлении?
Происходит восстановление пиридинового кольца никотинамида: ароматичность нарушается, а водород присоединяется в пара-положение к атому азота.
Сколько протонов и электронов принимает кофермент от субстрата?
Сама молекула кофермента принимает 1 протон и 2 электрона (гидрид-ион). Второй отщепленный от субстрата протон уходит в окружающую среду.
Что ещё разобрать по теме
- Строение и функции Флавинадениндинуклеотида (FAD)
- Флавинмононуклеотид (FMN): отличия и сходства
- Классификация оксидоредуктаз
- Химическое строение пиридинового кольца
Разберите тему целиком в курсе «Биохимия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Никотинамидные коферменты» и ещё 3 574 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 115 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Энзимология»
Бесплатные видеоуроки: биохимияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.