Coenzym
n., meervoud: co-enzymen
definitie: klein molecuul dat een enzym nodig heeft om te kunnen functioneren
In foto: Succinaat dehydrogenase complex met cofactoren, flavin, ijzer-zwavel centra, en heem binnen het mitochondrion Bron: bewerkt door Maria Victoria Gonzaga, uit de werken van Richard Wheeler, CC BY-SA 3.0.
Inhoudsopgave
Enzymen kunnen ingewikkelde grote moleculen afbreken tot eenvoudiger kleinere moleculen, ze kunnen kleine moleculen of atomen combineren tot grote metabolieten. Daarom spelen enzymen een belangrijke rol in de biochemische en cellulaire organisatie. Enzymen zijn vergelijkbaar met katalysatoren in hun chemische vermogen om reacties te versnellen zonder zelf veranderd of verbruikt te worden. Deze biologische reacties omvatten de overdracht van carboxylgroepen, hydrolyse van peptidekoppelingen, het verbreken van koolstofverbindingen en de omzetting van stoffen in hun optische isomeren. Bij deze reacties kunnen enzymen al dan niet alleen functioneren; enzymen kunnen de hulp van een cofactor nodig hebben. Een holoenzym of een actief enzym is een complex dat uit twee delen bestaat: het eiwitdeel of apoenzym, en het cofactordeel. Het eiwitgedeelte of het apoenzym kan niet alleen functioneren en moet geactiveerd worden door de cofactor. Een cofactor kan een activator zijn, die gewoonlijk een kation is. Het kan ook een organische molecule met een ingewikkelde structuur zijn, die een co-enzym wordt genoemd. De katalytische activiteit van enzymen hangt meestal af van de aanwezigheid van niet-eiwitverbindingen die co-enzymen worden genoemd. Co-factoren zijn sterk gebonden aan apoenzymen; daarom kunnen co-enzymen niet uit apoenzymen worden geïsoleerd zonder denaturatie van de enzymproteïnen.
Co-enzym Definitie
Co-enzymen spelen een vitale rol in verschillende biochemische routes, zoals het afbreken van macronutriënten in kleinere moleculen (katabolisme) of de vorming van nieuwe biologische verbindingen in het lichaam (anabolisme).
Wat is een co-enzym? Soms wordt een co-enzym een co-substraat genoemd, omdat het zich aan het begin van een chemische reactie samen met het substraat aan het enzym bindt en zij aan het eind van de reactie het enzym veranderd weer verlaten. Ze worden echter co-enzymen genoemd omdat ze zich aan het enzym binden voordat andere substraten dat doen. Bovendien worden co-enzymen door andere enzymen in de cel weer omgezet in hun oorspronkelijke vorm om opnieuw te worden gebruikt. Een co-enzym is meestal een vorm van geactiveerde vitamine die essentieel is voor biochemische routes. Co-enzymen vormen complexen met enzymen. Deze complexen zetten voedingsstoffen om in nuttige vormen van energie. Zij produceren biomoleculen die worden beschouwd als de basis van ons leven.
Sommige voedingsstoffen fungeren als cofactoren en co-enzymen. Andere worden afgebroken met behulp van co-enzymen. Daarom is het essentieel om de inname van sporenelementen via de voeding op peil te houden om de energie te produceren die nodig is voor het leven.
Enzymen die de aanwezigheid van co-enzymen nodig hebben om te kunnen functioneren, zullen niet in staat zijn om de normale stofwisselingsprocessen in stand te houden of om de activiteit van de natuurlijke biochemische processen in stand te houden die de normale functies van de cel geactiveerd houden, zoals celgroei, -differentiatie, -deling en -herstel.ovendien zorgen co-enzymen ervoor dat sommige regulerende eiwitten en hormonen hun integriteit behouden.
Sommige vitaminen nemen als co-enzymen deel aan de biochemische processen zoals katabolisme, anabolisme en de productie van energie. Vitamine A en K zijn twee vetoplosbare vitamines die als co-enzymen of co-factoren fungeren, terwijl alle wateroplosbare enzymen als co-factor of co-enzymen kunnen fungeren. Naast hun werking als cofactoren spelen vitaminen een cruciale rol in verschillende vitale processen, zoals de productie van hormonen, de integriteit van collageen in de botten, de bloedstolling en een goed gezichtsvermogen.
Voorbeelden van co-enzymen
Co-enzymen zijn niet specifiek voor substraten, in plaats daarvan fungeren ze als een drager voor de reactieproducten. Co-enzymen worden geregenereerd om opnieuw te worden gebruikt. Een belangrijk voorbeeld van co-enzymen is nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), dat wordt gebruikt om het enzym melkzuurdehydrogenase te activeren.
Bij de dehydrogenering van pyruvaat tot lactaat wordt NAD zelf gereduceerd door waterstofatomen te accepteren voor katalytische reacties, terwijl sommige enzymen het nicotinezuuramide-adenine-dinucleotidefosfaat (NADP) fosfaat nodig hebben dat eveneens wordt gereduceerd.
Voor de synthese van steroïden is het NADP-co-enzym nodig. Het gereduceerde enzym wordt vervolgens opnieuw geoxideerd door de ingebrachte waterstof langs een waterstofacceptorketen over te brengen om te worden gecombineerd met moleculaire zuurstof, waarbij een watermolecuul wordt gevormd.
NAD+ is het eerste molecuul dat zich aan het enzym bindt en het is het laatste molecuul dat uit het complex wordt losgemaakt. Daarom is het de snelheidsbeperkende stap van de biochemische reactie. Als zodanig wordt het beschouwd als een co-enzym, niet als een substraat.
Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) en nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat (NADP) helpen enzymen die waterstof verwijderen (dehydrogenases) bij het katabole proces van aminozuren, vetten en koolhydraten, alsmede de enzymen die deelnemen aan de synthese van steroïden, vetten, en andere metabolieten.
Soorten co-enzymen
Sommige enzymen bevatten een “ingebouwde” cofactor, prosthetische groepen genaamd, zoals flavoproteïnen en sommige pyridoxine- en biotine-bevattende enzymen. Flavoproteïnen zijn enzymen die metaal bevatten. Zij dragen waterstofatomen over aan hun prosthetische groep vanuit hun co-enzymen, zoals het gereduceerde NAD. In dergelijke gevallen fungeert het flavin adenine dinucleotide (FAD), dat een derivaat is van riboflavine, als prothetische groep wanneer het waterstof accepteert. Vervolgens zorgt co-enzym Q voor de reoxidatie van de flavine om verder te gaan in de elektronentransportketen en een watermolecuul te produceren. Biotine speelt een rol bij de synthese van vetzuren; daarom wordt verwacht dat het een functie heeft in de van vetzuren afgeleide hormonen, zoals prostaglandine.
Er zijn vele andere voorbeelden van co-enzymen die betrokken zijn bij verschillende biochemische reacties. Een ander voorbeeld zijn de co-enzymen die betrokken zijn bij de verwijdering van kooldioxide (decarboxylering) uit een verbinding om te helpen bij de afbraak van koolhydraten voor de productie van energie, zoals de actieve vorm van vitamine B1, thiamine. Andere dragen waterstof om te dienen in oxidatiereacties die energie produceren uit energierijke voedingsstoffen. De co-enzymvormen van vitamine B12, pyridoxaalfosfaat (PLP) en pyridoxaminefosfaat (PMP), fungeren als cofactoren voor ongeveer 120 enzymen, zoals synthetases, racemases, splitsingsenzymen, decarboxylases en transaminases. PLP en PMP nemen deel aan verschillende metabolische processen van aminozuren.
Coenzyme A is essentieel voor het metabolisme van vetzuren, aminozuren, koolhydraten, en andere biologische moleculen. Het bevat pantotheenzuur (PA), een vorm van vitamine B. PA neemt ook deel aan de vetzuursynthese als een acyl-carrier proteïne cofactor. De co-enzymvormen van vitamine B12 nemen deel aan de synthese van methionine (aminozuur).
Biocytine is het co-enzym van biotine. Het helpt bij verschillende carboxyleringsreacties van vetzuren en aminozuren om hun metabolisme te vergemakkelijken. Bovendien speelt biocytine een rol bij de vorming van ureum. De co-enzymvorm van folaat draagt één koolstofeenheid die nodig is voor de omzetting van aminozuur in pyrimidine- en purinebasen die nodig zijn voor de vorming van DNA en RNA.
Ascorbinezuur is een cofactor van hydroxylases. Zij hydroxyleren lysine en proline om de integriteit van de collageenstructuur te behouden; bovendien hydroxyleren zij cholesterolen voor de vorming van galzuren, alsmede de tyrosinehydroxylering om het hormoon noradrenaline te vormen.
De aldehydevorm van vitamine A, retinol, dient als cofactor voor apoproteïnen die in het oog worden aangetroffen. Apoproteïnen zijn verantwoordelijk voor het gezichtsvermogen bij weinig licht. Ze zijn ook betrokken bij het zicht bij helder licht en kleur in het netvlies.
Tabel 1: Vitaminen als voorbeelden van co-enzymen.
| Water-oplosbare vitaminen | Coenzyme | Coenzyme Functie | ||
|---|---|---|---|---|
| vitamine B1
(thiamine) |
thiaminepyrofosfaat | decarboxyleringsreacties | ||
| vitamine B2
(riboflavine) |
flavine mononucleotide of flavin adenine dinucleotide | oxidatie-reductiereacties waarbij twee waterstofatomen betrokken zijn | ||
| vitamine B3
(niacine) |
nicotinamide adenine dinucleotide of nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat | oxidatie-reductiereacties waarbij het hydride-ion (H-)betrokken is | ||
| vitamine B6
(pyridoxine) |
pyridoxal fosfaat | diverse reacties waaronder de overdracht van aminogroepen | ||
| vitamine B12
(cyanocobalamine) |
methylcobalamine of deoxyadenoxylcobalamine | intramoleculaire herschikkingsreacties | ||
| biotine | biotine | carboxyleringsreacties | ||
| foliumzuur | tetrahydrofolaat | drager van één-koolstofeenheden zoals de formylgroep | drager van één-koolstofgroep | drager van één-koolstofgroep |
| pantotheenzuur | co-enzym A | drager van acylgroepen | ||
| vitamine C (ascorbinezuur) | none | antioxidant; vorming van collageen, een eiwit dat voorkomt in pezen, ligamenten en botten |
Credit: Data from Chemistry Libretexts, CC By NC-SA
Functies van co-enzymen
Mineralen en vitaminen spelen een belangrijke rol in de anabole en katabole paden die leiden tot de synthese van biomoleculen zoals lipiden, nucleïnezuren, eiwitten en koolhydraten als co-enzymen of cofactoren.
- Vitaminen als co-enzymen: De metabolietvorm van vitamine A, retinoïnezuur, functioneert als genregulator en is daarom zeer belangrijk voor de normale ontwikkeling van cellen. Vitamine K is een co-enzym voor enzymen die -CO2-groepen verplaatsen (g-carboxylasen). De vrijgekomen carboxylgroep bindt zich aan calcium, deze stap is belangrijk voor de vorming van osteocalcine, een belangrijk eiwit voor de botopbouw. Daarnaast is het belangrijk voor de vorming van protrombine, dat een cruciale rol speelt in de bloedstolling.
- Mineralen als cofactoren en katalysatoren: Mineralen kunnen in biologische processen fungeren als cofactoren en katalysatoren. Wanneer mineralen als katalysatoren fungeren, integreren zij niet met een enzym of zijn substraat. Zij versnellen echter de biochemische reactie tussen het enzym en zijn substraat. Anderzijds, wanneer mineralen fungeren als cofactoren, worden zij een onderdeel van de enzym- of eiwitstructuur die essentieel is voor het verloop van de biochemische reactie. Mineralen die fungeren als cofactoren zijn mangaan, selenium, magnesium en molybdeen. Sommige mineralen, zoals kobalt, jodium, calcium en fosfor, fungeren als cofactoren voor bepaalde niet-enzymatische eiwitten. Andere, zoals koper, zink en ijzer, fungeren als cofactoren voor zowel niet-enzymatische als enzymatische eiwitten.
Vitaminetekort
In normale omstandigheden is de reactiesnelheid recht evenredig met de enzymconcentratie. Daarom resulteert de hoge concentratie van het substraat en het enzym in een hoge snelheid van productomzet, vergelijkbaar met gekatalyseerde chemische reacties, enzymatische reacties zijn omkeerbaar. Onder normale omstandigheden verlopen enzymatische reacties echter slechts in één richting, aangezien de producten regelmatig worden verbruikt door het volgende enzym in de route van de biochemische reacties. Bij een vitaminetekort ontbreken de co-enzymen die nodig zijn voor biochemische reacties, waardoor de producten van de reacties zich in het lichaam ophopen en tot het omkeren van de reactie kunnen leiden.
- Caballero, B., Trugo, L. C., & Finglas, P. M. (2003). Encyclopedie van voedingswetenschappen en voeding. Academic.
- Jennings, I. W. (2014). Vitaminen in het endocriene metabolisme. Butterworth-Heinemann.
- Shi, Y., & Shi, Y. (2004). Metabolische enzymen en co-enzymen in transcriptie-een directe link tussen metabolisme en transcriptie? Trends in genetica, 20(9), 445-452.
- Palmer, T. (2001). De chemische aard van enzymkatalyse, enzymen: Biochemie, biotechnologie en klinische chemie. Westergate, Engeland: Horwood Publishing Limited, Coll House, 191-222.