科学新观之八：辅因子的分类与讨论——从化学本质与功能说起
2016-09-18 14:24阅读：
一、研究背景与课题：
作为非氨基酸成分的辅因子是蛋白质或酶结构的重要组成部分，也是其行使正常功能不可缺少的参与者。小分子辅因子本身的结构和功能具有很高的多样性，通常以弱相互作用与特定蛋白质相互结合。
二、前人理论与问题：
辅因子（Cofactor）的定义与分类是历史上长期存在的问题。经典观点及许多教科书[1]认为辅因子包含辅酶（Coenzyme，与酶松散结合，可以透析除去）和辅基（Prostheticgroup，与酶紧密结合，不可透析除去）；也有教材[2]认为辅因子特指无机离子或其配合物，而辅酶泛指一切有机化合物、有机金属化合物，而辅基是与酶紧密结合的一种辅酶；更多场合下，辅酶一词被滥用于一切非底物、非氨基酸的蛋白质组成成分[3]。
此外，国内外生物化学及酶学对辅因子概念及其分类系统的模糊性描述还可能导致认识的误区甚至太过绝对而产生误解[4]，例如辅因子在酶促反应后一定恢复原始状态（即便假定酶本身在催化后完全恢复原始状态）、一种辅因子只能对应于一种特定的酶并参与特定的酶促反应，是一些教科书的暗示、导向或论断。该文认为传统观念普遍停留在非理性认识，且其对各种辅因子的分析讨论缺乏统一性，故而会导致误解。
三、该文观点与论据：
该文建议通用“辅因子”一词，并统一化辅酶、辅基等
描述。基于辅因子本身的化学本质和催化功能，该文从机理上将辅因子分为催化型、载体型和底物型三类，并以若干典型的辅因子为例讨论辅因子特异性、再生性等问题。以上认识误区也会迎刃而解。
其一为催化型辅因子(Catalysis-type
cofactor)，是反应的催化核心、酶催化机理实现的必要条件。本身位于酶的活性中心，且通常与蛋白酶的蛋白骨架以共价键直接相连。典型代表磷酸吡哆醛（PLP）可以以亚胺形成转化及其衍生机理催化多类反应，并在催化循环结束后恢复原始结构[5]。例如氨基酸-酮酸转氨反应（图1a）；氨基酸脱羧反应（图1b）；氨基酸消旋化反应（图1c）。
图1：磷酸吡哆醛以亚胺形成转化及其衍生机理参与的多类反应示意图，并在催化循环结束时恢复其本身结构。
其二为载体型辅因子(Carrier-type
cofactor)，通常作为载体提供电子、原子或原子团，催化循环后不能直接恢复原始状态，但常常通过原反应的逆反应实现恢复。一般以非共价键作用与酶的活性口袋结合。典型代表烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）可以通过完全不同的机理参与若干反应，在反应后不能恢复原始结构[6]。例如作为电子供/受体参与氧还反应（图2a）；以烟酰胺解离机理参与蛋白质去乙酰化反应（图2b）；烟酰胺环系作为亲电试剂参与组氨酸生物代谢的尿刊酶（Urocanase）步骤（图2c）。
图2：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸以不同机理参与的几类反应示意图，在催化循环结束时无法恢复其本身结构。
其三为底物型辅因子(Substrate-type
cofactor)，作为一种特殊的底物在反应后被消耗，不能直接通过一步逆反应恢复，需要代谢过程重新合成。典型代表S-腺苷甲硫氨酸（SAM）直接作为反应物通过酶促反应转换为各种次级代谢产物或其中间产物（如图3）[7]。
图3：S-腺苷甲硫氨酸作为底物型辅因子参与的几类生物合成实例示意图
四、结论与意义：
该文从功能上对辅因子进行了分类，对目前存在的所有辅因子进行了列表分析，并对每类中的典例进行了详细分析。总结之，辅因子的存在是对氨基酸侧链多样性的弥补。从此分析可以看出，辅因子在酶促反应后并不一定能恢复起始状态；且一种辅酶可能作为催化基团甚至底物参与若干种机理相同或不同的反应。期对生物有机化学和生化酶学教学及后续辅因子的研究有助。
改写自“大学化学 2016, 31, 39-48”
[1] 例：王镜岩, 朱圣庚, 徐长达 . 生物化学(上册).北京: 科学出版社, 2002.
[2] 例：Nelson, D. Lehninger Principles of Biochemistry; W. H.
Freeman and Company: New York, 2008.
[3] 例：邹国林, 朱汝璠 . 酶学. 武汉: 武汉大学出版社, 1997.
[4] 例：Kulkarni,N. S.; Deshpande, M. S. General Enzymology;
Himalaya Pub. House: Mumbai, India, 2007
[5] Toney, M. D. Wiley Encyclopedia of Chemical Biology; John
Wiley & Sons, Inc. 2008.
[6] Belenky, P.; Bogan, K. L.; Brenner, C.Trends Biochem.Sci.
2007, 32, 12.
[7] 例：Mato, J. M.; Lu, S. C. Hepatology 2007, 45,
1306.
