Coenzima
n., plurale: coenzimi
Definizione: piccola molecola necessaria ad un enzima per funzionare
In foto: Complesso della succinato deidrogenasi con cofattori, flavina, centri ferro-zolfo, ed eme all’interno del mitocondrio Fonte: modificato da Maria Victoria Gonzaga, dai lavori di Richard Wheeler, CC BY-SA 3.0.
Tabella del contenuto
Gli enzimi possono scomporre grandi molecole complicate in molecole più piccole e semplici, possono combinare piccole molecole o atomi per formare grandi metaboliti. Pertanto, gli enzimi svolgono un ruolo importante nell’organizzazione biochimica e cellulare. Gli enzimi sono simili ai catalizzatori nella loro capacità chimica di accelerare le reazioni senza essere essi stessi modificati o consumati. Queste reazioni biologiche includono il trasferimento del gruppo carbossilico, l’idrolisi del legame peptidico, la rottura dei legami di carbonio e la conversione di sostanze nei loro isomeri ottici. In queste reazioni, gli enzimi possono funzionare o meno da soli, gli enzimi possono avere bisogno dell’assistenza di un cofattore. Un oloenzima o un enzima attivo è un complesso che consiste di due parti: la parte proteica o apoenzima, e la parte cofattore. La parte proteica o l’apoenzima non può funzionare da sola e deve essere attivata dal cofattore. Un cofattore potrebbe essere un attivatore, che di solito è un catione. Può anche essere una molecola organica dalla struttura complicata, che viene chiamata coenzima. L’attività catalitica degli enzimi dipende principalmente dalla presenza di composti non proteici chiamati coenzimi. I cofattori sono altamente legati agli apoenzimi; pertanto, i coenzimi non possono essere isolati dagli apoenzimi senza denaturazione delle proteine dell’enzima.
Definizione di coenzima
I coenzimi giocano un ruolo vitale in diversi percorsi biochimici come la scomposizione dei macronutrienti in molecole più piccole (catabolismo) o la formazione di nuovi composti biologici nel corpo (anabolismo).
Cos’è un coenzima? A volte, un coenzima viene chiamato co-substrato perché si lega all’enzima insieme al substrato all’inizio di una reazione chimica e lasciano l’enzima alterato alla fine della reazione. Tuttavia, sono chiamati coenzimi perché si legano all’enzima prima di altri substrati. Inoltre, i coenzimi sono riconvertiti da altri enzimi presenti nella cellula nella loro forma originale per essere riutilizzati. Un coenzima è di solito una forma di vitamina attivata che è essenziale per i percorsi biochimici. I coenzimi formano complessi con gli enzimi. Questi complessi convertono i nutrienti in utili forme di energia. Producono biomolecole che sono considerate la base della nostra vita.
Alcuni nutrienti agiscono come cofattori e coenzimi. Altri vengono scomposti con l’aiuto dei coenzimi. Pertanto, è essenziale mantenere l’apporto dietetico di oligoelementi per produrre l’energia necessaria alla vita.
Gli enzimi che richiedono la presenza di coenzimi per funzionare non saranno in grado di mantenere i normali processi metabolici o di mantenere l’attività dei processi biochimici naturali che mantengono attive le normali funzioni della cellula come la crescita cellulare, la differenziazione, la divisione e la riparazione.
Inoltre, i coenzimi funzionano per mantenere l’integrità di alcune proteine regolatrici e strutture ormonali.
Alcune vitamine agiscono come coenzimi partecipando ai processi biochimici come il catabolismo, l’anabolismo e la produzione di energia. Le vitamine A e K sono due vitamine liposolubili che agiscono come coenzimi o cofattori, mentre tutti gli enzimi idrosolubili possono agire come cofattori o coenzimi. Oltre alla loro azione come cofattori, le vitamine hanno un ruolo critico in diversi processi vitali come la produzione di ormoni, l’integrità del collagene nelle ossa, la coagulazione del sangue e la corretta visione.
Esempi di coenzimi
I coenzimi non sono specifici per i substrati, invece, agiscono come un vettore per i prodotti di reazione. I coenzimi sono rigenerati per essere riutilizzati. Un esempio importante di coenzimi è il nicotinamide adenina dinucleotide (NAD) che è usato per attivare l’enzima lattico deidrogenasi.
Nella deidrogenazione del piruvato a lattato, il NAD stesso si riduce accettando l’atomo di idrogeno per le reazioni catalitiche, mentre alcuni enzimi richiedono il nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADP) che si riduce allo stesso modo
Per la sintesi degli steroidi, il coenzima NADP è necessario. L’enzima ridotto viene poi ri-ossidato trasferendo l’idrogeno introdotto lungo una catena di accettori di idrogeno per essere combinato con l’ossigeno molecolare formando una molecola d’acqua.
NAD+ è la prima molecola che si lega all’enzima ed è l’ultima molecola ad essere slegata dal complesso. Pertanto, è il passo limitante della reazione biochimica. Come tale, è considerato un coenzima e non un substrato.
Il nicotinammide adenina dinucleotide (NAD) e il nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADP) aiutano gli enzimi che rimuovono l’idrogeno (deidrogenasi) ad assistere nel processo catabolico di aminoacidi, grassi e carboidrati così come gli enzimi che partecipano alla sintesi di steroidi, grassi e altri metaboliti.
Tipi di coenzimi
Alcuni enzimi contengono un cofattore ‘incorporato’ chiamato gruppi prostetici come le flavoproteine e alcuni enzimi contenenti piridossina e biotina. Le flavoproteine sono enzimi che contengono metallo. Trasferiscono atomi di idrogeno al loro gruppo prostetico dai loro coenzimi, come il NAD ridotto. In questi casi, il flavin adenina dinucleotide (FAD), che è un derivato della riboflavina, agisce come gruppo prostetico quando accetta l’idrogeno. Poi, il coenzima Q riossida la flavina per procedere nella catena di trasporto degli elettroni e produrre una molecola d’acqua. La biotina ha un ruolo nella sintesi degli acidi grassi; quindi ci si aspetta che abbia una funzione negli ormoni derivati dagli acidi grassi, come la prostaglandina.
Ci sono molti altri esempi di coenzimi coinvolti in diverse reazioni biochimiche. Un altro esempio sono i coenzimi che sono coinvolti nella rimozione dell’anidride carbonica (decarbossilazione) da un composto per assistere nella scomposizione dei carboidrati per la produzione di energia, come la forma attiva della vitamina B1, la tiamina. Altri trasportano idrogeno per servire nelle reazioni di ossidazione che producono energia da nutrienti ad alta energia. Le forme di coenzima della vitamina B12 chiamate fosfato piridossale (PLP) e fosfato piridossamico (PMP) agiscono come cofattori per circa 120 enzimi, ad esempio sintetasi, racemasi, enzimi di scissione, decarbossilasi e transaminasi. PLP e PMP partecipano a diversi processi metabolici degli aminoacidi.
Il coenzima A è essenziale per il metabolismo di acidi grassi, aminoacidi, carboidrati e altre molecole biologiche. Contiene acido pantotenico (PA), che è una forma di vitamina B. Il PA partecipa anche alla sintesi degli acidi grassi come cofattore della proteina portatrice di acile. Le forme di coenzima della vitamina B12 partecipano alla sintesi della metionina (aminoacido).
La biocitina è il coenzima della biotina. Assiste in diverse reazioni di carbossilazione degli acidi grassi e degli aminoacidi per facilitare il loro metabolismo. Inoltre, la biocitina ha un ruolo nella formazione dell’urea. La forma di coenzima del folato porta un’unità di carbonio che è necessaria per la conversione dell’aminoacido in basi pirimidiniche e puriniche necessarie per la formazione di DNA e RNA.
L’acido ascorbico è un cofattore delle idrossilasi. Queste idrossilano la lisina e la prolina per mantenere l’integrità della struttura del collagene; inoltre, idrossilano i colesteroli per la formazione degli acidi biliari, così come l’idrossilazione della tirosina per formare l’ormone noradrenalina.
La vitamina A sotto forma di aldeide, il retinolo, serve come cofattore per le apoproteine presenti nell’occhio. Le apoproteine sono responsabili della visione in penombra. Sono anche coinvolte nella visione della luce intensa e dei colori nella retina.
Tabella 1: Vitamine come esempi di coenzimi.
| Vitamine solubili in acquaVitamine solubili | Coenzima | Funzione del coenzima | |
|---|---|---|---|
| vitamina B1
(tiamina) |
pirofosfato di tiamina | reazioni di decarbossilazione | |
| vitamina B2
(riboflavina) |
mononucleotide di flavina o dinucleotide di flavina adenina | ossidazione-reazioni di riduzione che coinvolgono due atomi di idrogeno | |
| vitamina B3
(niacina) |
nicotinamide adenina dinucleotide o nicotinamide adenina dinucleotide fosfato | ossidazione-reazioni di riduzione che coinvolgono lo ione idruro (H-) | |
| vitamina B6
(piridossina) |
fosfato piridossale | varietà di reazioni tra cui il trasferimento di gruppi amminici | |
| vitamina B12
(cianocobalamina) |
metilcobalamina o deossiadenossilcobalamina | reazioni di riarrangiamento intramolecolare | |
| biotina | biotina | reazioni di carbossilazione | |
| acido folico | tetraidrofolato | portatore di unità di uno-unità di carbonio come il gruppo formile | |
| acido pantotenico | coenzima A | portatore di gruppi acili | portatore di gruppi acilici |
| vitamina C (acido ascorbico) | nessuno | antiossidante; formazione di collagene, una proteina che si trova nei tendini, legamenti e ossa |
Credit: Data from Chemistry Libretexts, CC By NC-SA
Funzioni dei coenzimi
I minerali e le vitamine svolgono un ruolo importante nelle vie anaboliche e cataboliche che portano alla sintesi di biomolecole come i lipidi, acidi nucleici, proteine e carboidrati come coenzimi o cofattori.
- Vitamine come coenzimi: Il metabolita della vitamina A, l’acido retinoico, funziona come regolatore di geni, quindi è molto importante per il normale sviluppo delle cellule. La vitamina K è un coenzima per gli enzimi che spostano i gruppi -CO2 (g-carbossilasi). Il gruppo carbossilico rilasciato si lega al calcio, questo passaggio è importante per la formazione dell’osteocalcina, una proteina importante per il rimodellamento osseo. Inoltre, è importante per la formazione della protrombina, che gioca un ruolo cruciale nella coagulazione del sangue.
- Minerali come cofattori e catalizzatori: I minerali possono funzionare nei processi biologici come cofattori e catalizzatori. Quando i minerali agiscono come catalizzatori non si integrano con un enzima o il suo substrato. Tuttavia, accelerano la reazione biochimica tra l’enzima e il suo substrato. In alternativa, quando i minerali agiscono come cofattori, diventano una parte dell’enzima o della struttura proteica che è essenziale perché la reazione biochimica proceda. I minerali che agiscono come cofattori includono manganese, selenio, magnesio e molibdeno. Alcuni minerali, come cobalto, iodio, calcio e fosforo, agiscono come cofattori per alcune proteine non enzimatiche. Altri, come il rame, lo zinco e il ferro, agiscono come cofattori sia per le proteine non enzimatiche che per quelle enzimatiche.
Carenza di vitamine
In condizioni normali, il tasso di reazione è direttamente proporzionale alla concentrazione dell’enzima. Pertanto, l’alta concentrazione del substrato e dell’enzima si traduce in un alto tasso di turnover del prodotto, simile alle reazioni chimiche catalizzate, le reazioni enzimatiche sono reversibili. Tuttavia, in condizioni normali, le reazioni enzimatiche procedono in un solo modo poiché i prodotti sono regolarmente consumati dall’enzima seguente nel percorso delle reazioni biochimiche. In caso di carenze vitaminiche, mancano i coenzimi necessari per le reazioni biochimiche, quindi i prodotti delle reazioni si accumulano nel corpo e possono portare all’inversione della reazione.
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