Coenzym (Deutsch)

Coenzym
n., Plural: Coenzyme

Definition: kleines Molekül, das von einem Enzym zur Funktion benötigt wird
Im Bild: Succinat-Dehydrogenase-Komplex mit Cofaktoren, Flavin, Eisen-Schwefel-Zentren und Häm im Inneren des Mitochondriums Quelle: modifiziert von Maria Victoria Gonzaga, aus den Arbeiten von Richard Wheeler, CC BY-SA 3.0.

Enzyme können komplizierte große Moleküle in einfachere kleinere zerlegen, sie können kleine Moleküle oder Atome zu großen Stoffwechselprodukten verbinden. Daher spielen Enzyme eine wichtige Rolle in der biochemischen und zellulären Organisation. Enzyme sind ähnlich wie Katalysatoren in ihrer chemischen Fähigkeit, Reaktionen zu beschleunigen, ohne selbst verändert oder verbraucht zu werden. Zu diesen biologischen Reaktionen gehören die Übertragung von Carboxylgruppen, die Hydrolyse von Peptidbindungen, das Aufbrechen von Kohlenstoffbindungen und die Umwandlung von Substanzen in ihre optischen Isomere. Bei diesen Reaktionen können Enzyme alleine funktionieren oder auch nicht, Enzyme benötigen die Unterstützung eines Cofaktors. Ein Holoenzym oder ein aktives Enzym ist ein Komplex, der aus zwei Teilen besteht: dem Proteinteil oder Apoenzym und dem Cofaktorteil. Der Proteinteil oder das Apoenzym kann nicht alleine funktionieren und muss durch den Cofaktor aktiviert werden. Ein Kofaktor kann ein Aktivator sein, der normalerweise ein Kation ist. Es kann auch ein organisches Molekül mit einer komplizierten Struktur sein, das als Coenzym bezeichnet wird. Die katalytische Aktivität von Enzymen hängt meist von der Anwesenheit von Nicht-Protein-Verbindungen ab, die Coenzyme genannt werden. Cofaktoren sind stark an Apoenzyme gebunden; daher können Coenzyme nicht von Apoenzymen isoliert werden, ohne die Enzymproteine zu denaturieren.

Coenzym Definition

Coenzyme spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen biochemischen Abläufen wie dem Abbau von Makronährstoffen in kleinere Moleküle (Katabolismus) oder der Bildung neuer biologischer Verbindungen im Körper (Anabolismus).

Was ist ein Coenzym? Manchmal wird ein Coenzym auch als Co-Substrat bezeichnet, weil es zu Beginn einer chemischen Reaktion zusammen mit dem Substrat an das Enzym bindet und sie am Ende der Reaktion das Enzym verändert wieder verlassen. Sie werden jedoch Coenzyme genannt, weil sie an das Enzym binden, bevor andere Substrate es tun. Außerdem werden Coenzyme von anderen Enzymen, die sich in der Zelle befinden, wieder in ihre ursprüngliche Form umgewandelt, um wieder verwendet zu werden. Ein Coenzym ist in der Regel eine Form eines aktivierten Vitamins, das für biochemische Abläufe unerlässlich ist. Coenzyme bilden Komplexe mit Enzymen. Diese Komplexe wandeln Nährstoffe in nützliche Formen von Energie um. Sie produzieren Biomoleküle, die als Grundlage unseres Lebens gelten.

Einige Nährstoffe wirken als Cofaktoren und Coenzyme. Andere werden mit Hilfe von Coenzymen abgebaut. Daher ist es wichtig, die Zufuhr von Spurenelementen mit der Nahrung aufrechtzuerhalten, um die für das Leben benötigte Energie zu produzieren.

Enzyme, die das Vorhandensein von Coenzymen benötigen, um zu funktionieren, sind nicht in der Lage, die normalen Stoffwechselprozesse aufrechtzuerhalten oder die Aktivität der natürlichen biochemischen Prozesse aufrechtzuerhalten, die die normalen Funktionen der Zelle wie Zellwachstum, Differenzierung, Teilung und Reparatur aktiviert halten.
Zusätzlich funktionieren Coenzyme, um die Integrität einiger regulatorischer Proteine und Hormonstrukturen aufrechtzuerhalten.

Einige Vitamine wirken als Coenzyme, die an den biochemischen Prozessen wie Katabolismus, Anabolismus und Energieproduktion teilnehmen. Die Vitamine A und K sind zwei fettlösliche Vitamine, die als Coenzyme oder Cofaktoren wirken, während alle wasserlöslichen Enzyme als Cofaktoren oder Coenzyme wirken können. Zusätzlich zu ihrer Wirkung als Cofaktoren spielen Vitamine eine entscheidende Rolle bei mehreren lebenswichtigen Prozessen wie der Produktion von Hormonen, der Integrität von Kollagen in den Knochen, der Blutgerinnung und dem richtigen Sehen.

Beispiele für Coenzyme

Coenzyme sind nicht spezifisch für Substrate, stattdessen fungieren sie als Träger für die Reaktionsprodukte. Coenzyme werden regeneriert, um wieder verwendet werden zu können. Ein wichtiges Beispiel für Coenzyme ist Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD), das zur Aktivierung des Enzyms Laktatdehydrogenase verwendet wird.

Bei der Dehydrierung von Pyruvat zu Laktat wird NAD selbst reduziert, indem es ein Wasserstoffatom für katalytische Reaktionen aufnimmt, während einige Enzyme das ebenfalls reduzierte Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NADP) benötigen.

Für die Synthese von Steroiden wird das Coenzym NADP benötigt. Das reduzierte Enzym wird dann reoxidiert, indem der eingebrachte Wasserstoff entlang einer Wasserstoffakzeptorkette übertragen wird, um mit molekularem Sauerstoff unter Bildung eines Wassermoleküls kombiniert zu werden.

NAD+ ist das erste Molekül, das an das Enzym bindet, und es ist das letzte Molekül, das aus dem Komplex gelöst wird. Daher ist es der geschwindigkeitslimitierende Schritt der biochemischen Reaktion. Als solches wird es als Coenzym und nicht als Substrat betrachtet.

Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD) und Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NADP) helfen Enzymen, die Wasserstoff entfernen (Dehydrogenasen), beim katabolen Prozess von Aminosäuren, Fetten und Kohlenhydraten sowie den Enzymen, die an der Synthese von Steroiden, Fetten und anderen Metaboliten beteiligt sind.

Arten von Coenzymen

Einige Enzyme enthalten einen „eingebauten“ Cofaktor, der als prosthetische Gruppe bezeichnet wird, wie z. B. Flavoproteine und einige Pyridoxin- und Biotin-haltige Enzyme. Flavoproteine sind Enzyme, die Metall enthalten. Sie übertragen von ihren Coenzymen, wie z. B. dem reduzierten NAD, Wasserstoffatome auf ihre prosthetische Gruppe. Dabei wirkt das Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD), das ein Derivat des Riboflavins ist, als prosthetische Gruppe bei der Aufnahme von Wasserstoff. Anschließend reoxidiert Coenzym Q das Flavin, um in der Elektronentransportkette weiterzugehen und ein Wassermolekül zu produzieren. Biotin spielt eine Rolle in der Fettsäuresynthese; daher wird erwartet, dass es eine Funktion in den von Fettsäuren abgeleiteten Hormonen, wie Prostaglandin, hat.

Es gibt viele weitere Beispiele für Coenzyme, die an verschiedenen biochemischen Reaktionen beteiligt sind. Ein weiteres Beispiel sind die Coenzyme, die an der Entfernung von Kohlendioxid (Decarboxylierung) aus einer Verbindung beteiligt sind, um den Abbau von Kohlenhydraten zur Energiegewinnung zu unterstützen, wie die aktive Form von Vitamin B1, Thiamin. Andere tragen Wasserstoff, um in Oxidationsreaktionen zu dienen, die Energie aus energiereichen Nährstoffen erzeugen. Vitamin B12-Coenzymformen, die Pyridoxalphosphat (PLP) und Pyridoxaminphosphat (PMP) genannt werden, wirken als Cofaktoren für etwa 120 Enzyme, z.B. Synthetasen, Racemasen, Spaltungsenzyme, Decarboxylasen und Transaminasen. PLP und PMP sind an verschiedenen Stoffwechselprozessen von Aminosäuren beteiligt.

Coenzym A ist essentiell für den Stoffwechsel von Fettsäuren, Aminosäuren, Kohlenhydraten und anderen biologischen Molekülen. Es enthält Pantothensäure (PA), eine Form von Vitamin B. PA ist auch an der Fettsäuresynthese als Cofaktor des Acyl-Carrier-Proteins beteiligt. Vitamin B12 ist als Coenzym an der Synthese von Methionin (Aminosäure) beteiligt.

Biocytin ist das Coenzym von Biotin. Es hilft bei mehreren Carboxylierungsreaktionen von Fettsäuren und Aminosäuren, um deren Stoffwechsel zu erleichtern. Außerdem spielt Biocytin eine Rolle bei der Bildung von Harnstoff. Die Coenzymform von Folat trägt eine Kohlenstoffeinheit, die für die Umwandlung von Aminosäure in Pyrimidin- und Purinbasen benötigt wird, die für die Bildung von DNA und RNA notwendig sind.

Ascorbinsäure ist ein Cofaktor von Hydroxylasen. Sie hydroxylieren Lysin und Prolin, um die Integrität der Kollagenstruktur zu erhalten; außerdem hydroxylieren sie Cholesterine für die Bildung von Gallensäuren sowie die Tyrosinhydroxylierung zur Bildung des Hormons Noradrenalin.

Die Aldehydform von Vitamin A, Retinol, dient als Cofaktor für Apoproteine, die im Auge vorkommen. Apoproteine sind für das Sehen bei schwachem Licht verantwortlich. Sie sind auch am Hell- und Farbensehen in der Netzhaut beteiligt.

Tabelle 1: Vitamine als Beispiele für Coenzyme.

Credit: Data from Chemistry Libretexts, CC By NC-SA

Funktionen von Coenzymen

Mineralien und Vitamine spielen eine wichtige Rolle in den anabolen und katabolen Pfaden, die zur Synthese von Biomolekülen wie Lipiden führen, Nukleinsäuren, Proteinen und Kohlenhydraten als Coenzyme oder Kofaktoren.

• Vitamine als Coenzyme: Die Metabolitform von Vitamin A, die Retinsäure, fungiert als Genregulator und ist daher sehr wichtig für die normale Entwicklung von Zellen. Vitamin K ist ein Coenzym für Enzyme, die -CO2-Gruppen bewegen (g-Carboxylasen). Die freigesetzte Carboxylgruppe bindet an Calcium, dieser Schritt ist wichtig für die Bildung von Osteocalcin, einem wichtigen Protein für den Knochenumbau. Außerdem ist er wichtig für die Bildung von Prothrombin, das eine entscheidende Rolle bei der Blutgerinnung spielt.
• Mineralien als Cofaktoren und Katalysatoren: Mineralien können in biologischen Prozessen als Cofaktoren und Katalysatoren wirken. Wenn Mineralien als Katalysatoren wirken, verbinden sie sich nicht mit einem Enzym oder dessen Substrat. Sie beschleunigen jedoch die biochemische Reaktion zwischen dem Enzym und seinem Substrat. Wenn Mineralien als Cofaktoren wirken, werden sie zu einem Teil der Enzym- oder Proteinstruktur, die für den Ablauf der biochemischen Reaktion notwendig ist. Zu den Mineralien, die als Cofaktoren wirken, gehören Mangan, Selen, Magnesium und Molybdän. Einige Mineralien, wie Kobalt, Jod, Kalzium und Phosphor, wirken als Cofaktoren für bestimmte nicht-enzymatische Proteine. Andere, wie Kupfer, Zink und Eisen, wirken als Cofaktoren sowohl für nicht-enzymatische als auch für enzymatische Proteine.

Vitaminmangel

Unter normalen Bedingungen ist die Reaktionsgeschwindigkeit direkt proportional zur Enzymkonzentration. Daher führt die hohe Konzentration des Substrats und des Enzyms zu einer hohen Produktumsatzrate, ähnlich wie bei katalysierten chemischen Reaktionen sind enzymatische Reaktionen reversibel. Unter normalen Bedingungen verlaufen enzymatische Reaktionen jedoch nur in eine Richtung, da die Produkte regelmäßig vom nachfolgenden Enzym im Weg der biochemischen Reaktionen verbraucht werden. Bei Vitaminmangel fehlen Coenzyme, die für biochemische Reaktionen benötigt werden, daher reichern sich die Produkte der Reaktionen im Körper an und können zur Umkehrung der Reaktion führen.

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