COENZIMI

Molti enzimi richiedono l’associazione con particolari cofattori per poter esplicare la loro attività catalitica.

Ioni essenziali Coenzimi

Ioni attivatori, Mg2+, K+, Ca2+

(legati debolmente)

Ioni metallici di metalloenzimi, Zn2+, Cu2+…(legati fortemente)

Cosubstrati (legati debolmente)

Gruppi prostetici(legati fortemente)

Sono temporaneamente modificati ma ritornano nella forma originaria alla fine del processo.Trasferiscono gruppi in modo specifico attraverso il loro CENTRO REATTIVO

Molti coenzimi hanno come precursori vitamine idrosolubili. Gli organismi animali devono assumerle con la dieta in piccole quantità giornalmente, perché non sono capaci né di sintetizzarle né di accumularle.

Coenzimi nicotinammidiciNAD+ (NICOTINAMMIDE ADENINA DINUCLEOTIDE)NADP+ (NICOTINAMMIDE ADENINA DINUCLEOTIDE FOSFATO)

Derivano dall’acido nicotinico (niacina) o dalla nicotinammide (vitamina B3)

Sono coinvolti nelle reazioni di ossido-riduzione catalizzate dalle DEIDROGENASI,

trasferiscono 2 elettroni e 1 protone dal o al substrato sottoforma di ione idruro

:H-

Sono associati al sito attivo dell’enzima attraverso interazioni elettrostatiche (debolmente)

Niacina Ac. nicotinico

NAD+ (ossidato)

NADP+ fosfato in posizione 2ossidato

(OPO32-)

+

+ H+

NADH (NADPH) (ridotto)

4

Attacco dello ione idruro può avvenire sopra (A) o sotto (B) il piano dell’anello nicotinammidico

:H- + H+:H- + H+

OSSIDATO

RIDOTTO

La misura dell’assorbimento a 340 nm consente di seguire il decorso di molte reazioni catalizzate dalle deidrogenasi NAD(P)+ dipendenti e costituisce la base per la determinazione di molti enzimi.

SPETTRO DI ASSORBIMENTO DEL NAD

Lattato deidrogenasi

Piruvato L-lattato

+

Uno ione idruro :H- è trasferito dal C-4 del NADH al C-2 del piruvato

Uno ione H+ è trasferito da un residuo di His del sito attivo dell’enzima sull’ossigeno carbonilico che

diventa un ossidrile

COENZIMI FLAVINICI

FAD (FLAVINA ADENINA DINUCLEOTIDE)FMN (FLAVINA MONONUCLEOTIDE)

Derivano dalla riboflavina (vitamina B2)

Sono saldamente associati (in qualche caso anche covalentemente) al sito attivo di deidrogenasi chiamate flavoproteine.Partecipano a reazioni di ossidoriduzione in cui possono accettare o rilasciare 2 elettroni e 2 protoni (due atomi di idrogeno)

7,8-dimetil-isoallossazina

Ribitolo legato in N-10

7

810

Forma completamente ridotta

51

Accetta 1 atomo di idrogeno alla volta oppure 2 insieme

Centri reattivi: N-5 e N-1

+ H+ + H:-

.-

++H+ + e- +H+ + e-

Semichinone

Forma completamente ossidata

COENZIMA A (HS-CoA) Trasferimento di gruppi acilici in reazioni di ossidazione di molecole energetiche e di biosintesi di carboidrati e lipidi.

Deriva dalla vitamina B3

(ac. pantotenico)

β-mercaptoetilammina

3’-P-ADP (3’-fosfoadenosina-difosfato)

Centro reattivo: gruppo tiolico –SH con cui forma il legame tioestere con i gruppi acilici che trasferisce.

Oll

H3C―C―S―CoA Acetil-CoA

TIAMINA PIROFOSFATO (TPP)

Deriva dalla tiamina (vitamina B1)

È il gruppo prostetico delle decarbossilasi (decarbossilazione degli α-chetoacidi). È

anche il gruppo prostetico delle transchetolasi (trafserimento di gruppi a 2 atomi di Carbonio contenenti una funzione C=O)

Centro reattivo: C-2 dell’anello tiazolico

Protone dissociabile

2

Il carbonio 2 dell’anello tiazolico è molto acido a causa dell’effetto elettronattrativo esercitato dall’N con carica positiva e dallo zolfo in 1

+

2

+

-

R1

R2

R3

TPP (carbanione dipolare)

Piruvatoα-chetoacido H+ rimosso da un

residuo basico dell’enzima Enz-B:

carbanione stabilizzato da risonanza

Enz-B―H+

Idrossietil-TPP

H H1 3

-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH

BIOTINA

È il gruppo prostetico di enzimi che catalizzano reazioni di carbossilazione ATP-dipendenti. Si lega al sito attivo attraverso un legame carboammidico con un residuo di Lysdell’enzima.

Sintetizzata dai batteri intestinali e poi assorbita

BiotinaLys-Enz.

Centro reattivo H

H H1 3..

H Enz

ATP + HCO3¯

ADP O Oll ll

¯O—C—O—P—O¯

lO¯

PO43-

H1 3

Enz

H

Piruvato-carbossilasi

Piruvato(forma enolica)

H1 3

Enz

H

O ll

¯O—C— H+

Ossalacetato

H H1 3..

H

Enz

+

carbossibiotina

carbossifosfato

|COO-

2

CH2

-

PIRIDOSSALE-FOSFATO (PLP)

Deriva dalla famiglia delle Vitamine B6 (piridossale, piridossina)Il PLP è il gruppo prostetico di enzimi che catalizzano transamminazione, decarbossilazione, racemizzazione (L→D) che coinvolgono amminoacidi.

Piridossalfosfato Piridossamminafosfato

Centro reattivo

Centro reattivo

Quando l’enzima è “a riposo” Il PLP è legato all’enzima mediante un Base di Shiff che si forma fra il gruppo aldeidico del PLP e l’ε-amminogruppo di un residuo di Lys del sito attivo (Aldimmina interna)

Il passaggio iniziale di tutte le reazioni enzimatiche PLP-dipendenti che coinvolgono gli aminoacidi prevede l’ingresso dell’amminoacido nel sito attivo dell’enzima e la formazione di un’aldimmina esterna (1a base di Schiff). Il gruppo aldeidico del PLP si lega al gruppo α-amminico

dell’amminoacido.

Aldimmina interna+

α

aldimmina esterna - 1a base di Schiff

α-chetoglutarato L-glutammato

Nelle reazioni di TRANSAMMINAZIONE catalizzate dalle transamminasi o ammino-transferasi il gruppo amminico di un amminoacido è trasferito su un α-cheto acido

α-amminoacido α-chetoacido

Le transamminasi rimuovono il protone H+ dal C-α per mezzo di un residuo di Lys del sito attivo dell’enzima.

riarrangiamento

Chetimmina

2a base di Schiff

Enzˡ

LyslNH2..

Aldimmina esterna1a base di Schiff

Si forma un Carbanione stabilizzato per risonanza

L’Enz. rilascia un H+ al C del centro reattivo del PLP

L’anello piridinico positivo funziona da trappola di elettroni e stabilizza il

carbanione che si forma.

+

..

+HH-N—Lys-Enz

H

Chetimmina Piridossammina-fosfato

α-cheto acido che si dissocia

Il gruppo amminico della piridossammina-fosfato viene trasferitoin una seconda fase su un secondo α-cheto acido attraverso unaserie di passaggi inversi a quelli visti sinora: si ottiene un nuovoaminoacido e si rigenera il PLP

Idrolisi della 2a

base di Shiff

COBALAMMINAVitamina B12

Sintetizzata da alcune specie di batteri e assunta dall’uomo con alimenti di origine animale. È assorbita dalla mucosa intestinale grazie ad un fattore intrinseco.

Prende parte a reazioni di ri-arrangiamento intramolecolare di tipo radicalico, catalizzate da mutasi o transferasi

cobalammina

Mutasi

LIPOAMMIDE

Acido LIPOICO: acido carbossilico a 8 atomi di carbonio con due gruppi tiolici in C-6 e C-8.Viene sintetizzato dagli animali.Si lega con legame ammidico all’ε-amminogruppo di una Lys del sito attivo.

È il gruppo prostetico delle diidrolipoammidi acetiltransferasi, enzimi che fanno parte di complessi multienzimatici(piruvato-deidrogenasi,

α-chetoglutarato deidrogenasi)

Forma ossidata

Forma ridotta

Funziona come un braccio oscillante che trasferisce gruppi acilici

Forma acetilata

VITAMINE

liposolubiliidrosolubili

Vitamina C

Vit. Complesso BTiamina (B1)Riboflavina (B2)Niacina (B4)BiotinaAc. Pantotenico (B5)Ac. FolicoPiridossina (B6)Cobalamina (B12)

Ac. Lipoico

Vitamina A (retinolo, β-carotene)Vitamina D (colecalciferolo)Vitamina K (fillochinone)Vitamina E (tocoferolo)Coenzima Q (Ubichinone)

Altamente idrofobiche, contengono anelli e lunghe catene alifatiche (costituite dal ripetersi di unità

isoprenoidi).Sono assunte con la dieta

Sono modificate e attivate nell’organismo

VITAMINA A (retinolo): lipide a 20 atomi di carbonio con una catena poliinsatura

a doppi legami coniugati, ottenuto direttamente dalla dieta o tramite il β-carotene.

Taglio ossidativo

Ossidazione (alcool > aldeide) in C-15-retinolo deidrogenasi-

È il gruppo prostetico delle opsine con cui costituisce lerodopsine, proteine dei fotorecettori della retina;l’assorbimento della luce converte il retinale cis in retinaletutto-trans

Impulso nervoso al cervello > visione

buio

luce

tutto-trans-

RETINOLO

RETINALE

AC. RETINOICO

Retinolo deidrogenasi

Retinale deidrogenasi

tutto-trans-

Ossidazione (aldeide > acido) in C-15

Segnale ormonale che modula la trascrizione genica (cellule epiteliali) e controlla la differenziazione cellulare.

VITAMINE D: gruppo di lipidi correlati. D3 (colecalciferolo): si forma in modo non-enzimatico nella pelle in presenza della luce solare a partire dal 7-deidrocolesterolo,D2: derivato metilato della D3, attivata in modo simile

2 reazioni di idrossilazione

1,25-diidrossicolecalciferoloColecalciferolo (D3)

7-deidrocolesterolo

Azione ormonale nel controllo dell’omeostasi del calcio (assorbimento intestinale, deposizione nelle ossa)

D3 aumenta i livelli plasmatici di Ca2+ favorendo la decalcificazione dell’osso e l’assorbimento intestinale di Ca2+. Promuove la sintesi di proteine che trasportano il calcio.

La sua azione sul tessuto osseo è finemente bilanciata da due altri ormoni: paratormone (agonista) e calcitonina (antagonista).

1a idrossilazione nel fegato

Attivazione fotosensibile nella pelle

2a idrossilazione nel rene

D3 attiva

VITAMINA K (fillochinone).Richiesta per la sintesi di proteine coinvolte nella coagulazione del sangue. Nei mammiferi agisce da coenzima della CARBOSSILASI che catalizza la carbossilazione di residui di glutammato dei fattori di coagulazione.

P. Champe, R.Harvey, D.R. Ferrier, Le basi della biochimica, Zanichelli Ed. S.p.A. Copyright © 2006

CO2 H+

CarbossilasiVit. K

O

O

CH3O

CH3CH3O

(CH2 CH C CH2)nH

CH3

OH

OH

CH3O

CH3CH3O

(CH2 CH C CH2)nH

CH3

e + 2 H

+

coenzyme Q

coenzyme QH2

O

O

CH3O

CH3CH3O

(CH2 CH C CH2)nH

CH3

e

coenzyme Q •

OH

UBICHINONE (COENZIMA Q): benzochinone con 4 sostituenti uno dei quali è una

lunga catena isoprenoide (6-10 unità). Si solubilizza nel doppio strato lipidico delle membrane e essendo un forte agente ossidante ha un ruolo chiave nel trasporto di elettroni attraverso i complessi della catena respiratoria mitocondriale.

O

O

CH3O

CH3CH3O

(CH2 CH C CH2)nH

CH3

OH

OH

CH3O

CH3CH3O

(CH2 CH C CH2)nH

CH3

e + 2 H

+

coenzyme Q

coenzyme QH2

O

O

CH3O

CH3CH3O

(CH2 CH C CH2)nH

CH3

e

coenzyme Q •

1H+, 1e-

1H+, 1e-

semichinone2H+, 2e-

Ossido-riduzione in 2 tappe oppure in un’unica tappa