结构生物化学/酶/辅因子

一般信息

辅因子是无机和有机化学物质，它们在反应催化过程中辅助酶。辅酶是大多数是水溶性维生素磷酸化衍生物的非蛋白质有机分子；它们与蛋白质结合以产生活性脱辅酶。脱辅酶是缺少其正常功能所需的辅因子(s)的酶；酶与辅酶的结合形成全酶。全酶是脱辅酶的活性形式。

全酶

辅因子

辅因子可以是金属或小有机分子，它们的主要功能是协助酶活性。它们能够帮助完成酶自身无法完成的某些必要反应。它们被分为辅酶和辅基。全酶是指一种催化活性酶，它由脱辅酶(没有辅因子的酶)和辅因子组成。辅因子有两类：金属和小有机分子，称为辅酶。辅酶是通常从维生素中获得的小有机分子。辅基是指与酶紧密结合的辅酶，而辅基是指松散结合的辅酶，它们像底物和产物一样被释放。松散结合的辅酶与底物不同，因为相同的辅酶可以被不同的酶使用，以实现适当的酶活性。

通用公式

金属辅因子

金属离子是常见的酶辅因子。一些酶被称为金属酶，如果没有活性位点中结合的金属离子，它们就不能发挥作用。在日常营养中，这种辅因子作为必需微量元素发挥作用，例如：铁(Fe³⁺)、锰(Mn²⁺)、钴(Co²⁺)、铜(Cu²⁺)、锌(Zn²⁺)、硒(Se²⁺)和钼(Mo⁵⁺)。例如，Mg²⁺用于糖酵解。在将葡萄糖转化为葡萄糖-6-磷酸的第一步中，在使用 ATP 生成 ADP 和一个磷酸基团之前，ATP 与 Mg²⁺ 结合，这会稳定另外两个磷酸基团，使其更容易释放出一个磷酸基团。在一些细菌中，如Azotobacter属和Pyrococcus furiosus，金属辅因子也被发现起着重要作用。辅因子作用的一个例子是碳酸酐酶的锌介导功能或限制性内切酶的镁介导功能。

辅酶

辅酶是一种小型的、有机、非蛋白质分子，它在酶之间传递化学基团。它是酶的辅因子，并且不是酶结构的永久部分。有时，它们被称为辅底物，并被认为是松散地结合到酶上的底物。在代谢中，辅酶在基团转移反应中起作用，例如 ATP 和辅酶 A，以及氧化还原反应，例如 NAD+ 和辅酶 Q10。辅酶经常被消耗和循环利用。化学基团不断被酶添加和分离。ATP 合酶磷酸化并将 ADP 转换为 ATP，而激酶以持续的速率将 ATP 去磷酸化回 ADP。辅酶分子大多来源于维生素。它们也通常由核苷酸制成，例如三磷酸腺苷和辅酶 A。

通过对辅酶活性和其对酶的结合作用的进一步研究，可以更多地揭示酶在构象和功能上的变化方式。一个例子是 MAPEG 组的跨膜整合酶。这些酶在亲脂性底物的催化转化中至关重要，这些底物参与花生四烯酸衍生信使的产生和异生物质解毒。通过使用与 MAPEG 酶的辅因子谷胱甘肽类似的结合去垢剂，揭示了针对亲脂性底物的新的活性位点；因此，进一步的研究可以揭示这些底物如何结合到酶的第二种形式。

维生素C是一种重要的辅酶

维生素A

重要的辅酶

NADH

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸是一种来源于维生素B3的辅酶。在 NAD+ 中，分子的功能基团只是烟酰胺部分。NAD+ 能够携带和转移电子，在氧化还原反应中充当氧化剂。它也作为蛋白质翻译后修饰中 DNA 连接酶的底物，其中反应从蛋白质中去除乙酰基。此外，在糖酵解和柠檬酸循环中，NAD+ 氧化葡萄糖并释放能量，然后通过还原为 NADH 将能量转移到 NAD+。NADH 后来通过氧化磷酸化释放额外的电子，生成 ATP，这是人类每天使用的能量来源。除了分解代谢反应之外，NADH 还参与合成代谢反应，例如糖异生，并且它还有助于大脑中神经递质的产生。

FADH

黄素腺嘌呤二核苷酸是一种辅基，与 NADH 一样，在细胞呼吸中充当还原剂，并将电子传递给电子传递链。

醌

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  1,2-苯醌
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  1,4-苯醌
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  蒽醌

具有完全共轭芳香环的化合物，两个氧原子以羰基形式结合到这些环上（即二酮）。醌的结构使它们能够形成有色物质。它们存在于细菌、真菌和某些植物中的色素中，并赋予它们特征颜色。此外，它们被用于制造不同的工业染料。在生物系统中，它们在电子传递链中充当电子受体（氧化剂），例如光合作用和有氧呼吸中的电子传递链。许多天然或合成的喹啉表现出生物学或药理学活性，一些甚至表现出抗肿瘤活性。

CoA

辅酶 A，由泛酸 ATP 合成，在代谢反应中充当酰基载体，用于在代谢反应中转运功能基团，例如乙酰基（乙酰辅酶 A）或硫酯，例如脂肪酸氧化（脂肪酸的合成）和柠檬酸循环（细胞呼吸）。它还将脂肪酸从细胞质转运到线粒体。除了在代谢中的转运作用外，CoA 本身也是一个重要的分子。例如，CoA 是 HMG-CoA 的重要前体，HMG-CoA 是胆固醇和酮体代谢合成的重要酶。此外，它将乙酰基添加到乙酰胆碱的结构中，乙酰胆碱是一种重要的神经递质，负责诱导肌肉收缩。

常见的辅酶

维生素A

维生素A可以细分为两个分子，维生素A₁（视黄醇）和维生素A₂（脱氢视黄醇）。视黄醇是活性最高且最常见的形式。维生素A具有一个大的共轭链，作为该分子的反应位点。与大多数辅因子不同，维生素A在回到其原始形式之前会经历一系列化学变化（氧化、还原和异构化）。维生素A的电子可以从$\pi {\text{ to }}\pi ^{*}$轨道转移的能力，使其成为捕捉光能的理想分子。因此，维生素A负责将光能传递到眼球中的化学神经冲动。维生素A还用于生长健康的新的细胞，例如皮肤、骨骼和头发。它维持泌尿道、肠道和呼吸系统的内壁。此外，维生素A对于生殖功能是必需的，例如精子和卵巢的生长和发育。

维生素C

维生素C也称为抗坏血酸，在大多数植物和动物中都很丰富，除了灵长类动物、豚鼠、蝙蝠和一些鸟类。尽管人类无法合成抗坏血酸，但它在许多生物合成途径中是必不可少的，例如合成胶原蛋白。缺乏会导致一种称为坏血病的疾病。维生素C有助于调节免疫系统并减轻疲劳肌肉引起的疼痛。它也是制造胶原蛋白和去甲肾上腺素所必需的。维生素C也是一种抗氧化剂，可以通过刺激体内的白细胞来增强免疫系统。维生素C还有助于改善皮肤、牙齿和骨骼。

维生素B₁

维生素B₁也称为硫胺素或硫胺素二磷酸（TPP），是克雷布斯循环和将丙酮酸转化为乙酰辅酶A（代谢中柠檬酸循环中使用的重要分子）中氧化脱羧作用的辅因子。它在人类饮食中广泛存在，在麦芽和酵母中特别有效。它的功能来源于一个噻唑环，该环通过共振来稳定电荷和电子转移。

维生素B₂

维生素B₂被称为核黄素。维生素B2是黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和黄素单核苷酸（FMN）的前体，它们是用于氧化底物的辅酶。FAD包含核黄素和腺嘌呤。FMN包含核黄素，这就是为什么它被称为单核苷酸。

维生素B₃

维生素B₃是烟酸或烟酸，化学式为C5H4NCO2H。维生素B3是NADH、NAD⁺、NADP⁺和NADPH的前体，它们是存在于所有活细胞中的辅酶。NAD⁺和NADP⁺是氧化剂。NADH和NADPH是还原剂。

维生素B₆

维生素B6是辅酶磷酸吡哆醛（PLP）的前体，它在某些氨基酸转化中是必需的，包括转氨基、脱氨基和脱羧作用。

维生素B₁₂

维生素B₁₂是具有这种维生素活性的相关化合物的一类名称。这些化合物含有稀有元素钴。人类无法合成B₁₂，必须从饮食中获取。

维生素H

维生素H也称为生物素，是一种羧基载体；它结合CO₂并将CO₂携带，直到CO₂在羧化酶反应中被捐赠。它是一种水溶性维生素，在脂肪酸和亮氨酸的代谢中很重要。缺乏会导致皮炎和脱发，因此成为化妆品中的热门成分。

维生素K

维生素K是血液凝固和Ca2+结合过程所必需的。维生素K可以在肠道中的细菌合成。维生素K是催化蛋白质中谷氨酸侧链γ-碳的羧化所需的。

非酶促辅因子

辅因子在生物学领域也被广泛用于指激活、抑制或蛋白质发挥功能所需的分子。例如，与受体蛋白结合并激活受体蛋白的配体，例如激素，被称为辅因子或共激活因子，而抑制受体蛋白的分子被称为共抑制因子。

共激活因子可以通过稳定 RNA 聚合酶全酶的形成来增强转录起始，从而使启动子更快地清除。

共抑制因子可以通过募集组蛋白脱乙酰基酶来抑制转录起始，组蛋白脱乙酰基酶催化从赖氨酸残基去除乙酰基。这会增加组蛋白的正电荷，从而增强组蛋白与 DNA 之间的相互作用，使后者更难以被转录。

参考文献

1. Dewick，Paul。药物天然产物：生物合成方法。第 3 版。英国西萨塞克斯：Wiley，2009 年。32-34。印刷。
2. von Heijne，G 和 Rees，D（2008 年）。《结构生物学最新观点》。爱思唯尔有限公司。