COENZIMI L`attività di alcuni enzimi richiede solo la parte proteica

COENZIMI
L’attività di alcuni enzimi richiede solo la parte proteica, mentre altri richiedono
cofattori, costituiti da una molecola organica e/o da uno ione metallico.
Lo ione metallico può agire come centro catalitico, formando un complesso di
coordinazione che consente l’unione del substrato all’enzima oppure
stabilizzando la conformazione attiva della proteina.
I coenzimi organici in genere agiscono come trasportatori di gruppi funzionali,
di specifici atomi o di elettroni. I principali coenzimi organici sono le vitamine,
soprattutto quelle idrosolubili, e inoltre il coenzima A e il coenzima Q.
VITAMINE
Molecole organiche essenziali che devono essere introdotte con la dieta.
Molte di esse sono coenzimi o vengono trasformate in coenzimi.
Idrosolubili e liposolubili. Le idrosolubili, se in eccesso, vengono escrete mentre le
liposolubili possono accumularsi e dar luogo a problemi di ipervitaminosi.
ACIDO L-ASCORBICO (VITAMINA C)
C chirale,
enantiomero L
dienolo
(tautomeria)
pKa 4,17
E’ un cofattore essenziale per l’ossidrilazione della prolina e della
lisina nella sintesi del collagene.
E’ un riducente (si ossida ad acido deidroascorbico) coinvolto
nell’ossidoriduzione di ioni metallici.
E’ un antiossidante per la sua capacità di rimuovere i radicali liberi.
Si degrada con il calore.
VITAMINE DEL
GRUPPO B
Nei tempi passati si pensava che le vitamine B fossero una sola vitamina:
ulteriori ricerche hanno dimostrato che sono diverse molecole, che spesso
si trovano insieme, negli stessi alimenti. Attualmente sono considerate
propriamente vitamine solo otto di queste.
Il gruppo delle vitamine B comprende:
vitamine
non propriamente vitamine
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B1: Tiamina
B2: Riboflavina
B3: Niacina
B5: Acido pantotenico
B6: Piridossina
B7: Biotina
B9: Acido folico
B12: Cobalamina
B4: Adenina
B8: Mioinositolo
B10: Acido p-amminobenzoico o PABA
B11: Acido pteroil-eptaglutammico
TIAMINA (VITAMINA B1)
Idrosolubile, in acqua forma soluzioni debolmente acide
(N dell'anello tiazolico è molto elettronegativo per cui
forma un legame molto polare, che spinge CH a
comportarsi da acido rilasciando un protone) e, in tali
condizioni, ha una buona stabilità al calore ed
all'ossidazione, ma si inattiva in tempi rapidi a pH > 7.
Una volta arrivata nei tessuti viene fosforilata a tiamina
difosfato (o pirofosfato), la forma attiva, dalla tiaminapirofosfato sintetasi.
SITO ACIDO
SITO
FOSFORILATO
La tiamina pirofosfato (TPP) è il coenzima delle decarbossilasi dei chetoacidi e delle
transchetolasi. La vitamina B1 è necessaria per la sintesi dell'emoglobina nel sangue, e per la
produzione di acido gamma-amminobutirrico (GABA) a partire dall'acido glutammico.
La tiamina è poco immagazzinata nell'organismo, per cui la sua mancanza nella dieta dà
problemi metabolici, in particolare a livello del metabolismo dei carboidrati, già in pochi giorni.
RIBOFLAVINA (VITAMINA B2)
La riboflavina è un composto eterociclico cui è legata una
catena formata da ribitolo. È un composto giallo stabile al calore
(la cottura determina l'inattivazione di solo il 10-20% del
quantitativo totale). Dal sangue raggiunge il fegato ed altri
tessuti dove viene trasformata in flavin-mononucleotide (FMN)
e flavin-adenin-dinucleotide (FAD), le due forme coenzimatiche.
I nucleotidi flavinici funzionano
come gruppi prostetici di enzimi
ossidoriduttivi (flavoproteine)
impegnati nella degradazione
ossidativa di vari acidi
carbossilici e anche nei processi
di trasporto degli elettroni.
NIACINA (VITAMINA B3 O VITAMINA PP)
La nicotinammide è un componente fondamentale di due molecole coenzimatiche:
•la nicotinammide adenina dinucleotide (NAD)
•la nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADP)
Il NADH/NAD, come coenzima
ossidoriduttivo, agisce in reazioni di
ossidazione e riduzione. Le reazioni
di ossidazione vedono impegnato il
NAD+, in quanto riducendosi a NADH,
riceve due elettroni e due protoni
dalla molecola substrato e ne agevola
quindi l’ossidazione.
NAD+
NADH
Nella reazione di riduzione di un substrato, il
coenzima si ossida da NADH a NAD+, donando due
protoni e due elettroni. La reazione di ossidazione è
la favorita, in quanto il sistema NAD/NADH ha E° =
-0,32 V. La forma ossidata, diversamente dalla forma
ridotta, è infatti aromatica e quindi più stabile.
NADP
Mentre il NAD+ è utilizzato primariamente nei
processi catabolici (reazioni di ossidazione del
metabolismo), il NADP(H) viene utilizzato nei processi
anabolici (reazioni riduttive), particolarmente nelle
reazioni di biosintesi di lipidi ed acidi nucleici.
COENZIMA A (CoA)
ATP
mercaptoetilammina
acido pantotenico
(vitamina B5)
Il coenzima A (spesso indicato come CoA, CoASH, o HSCoA) è una molecola
fondamentale nel metabolismo. È derivato da β-mercaptoetilamina,
pantotenato e ATP e usato in vie metaboliche basilari quali l'ossidazione degli
acidi grassi. Per la sua sintesi sono quindi necessari vitamina B5 e cisteina (e
ATP). La sua funzione è di trasportare gruppi acile, quali l'acetile, sotto forma
di tioesteri (ad alta energia). Quando la molecola di coenzima A trasporta un
gruppo acetilico viene definita acetil-CoA. Quando non viene trasportato
alcun gruppo, per contrasto si usa la notazione CoASH o HSCoA, per indicare
che il gruppo -SH è libero sulla molecola.
AT
acetilCoA
PIRIDOSSINA (VITAMINA B6 )
PIRIDOSSINA
sito di fosforilazione
PIRIDOSSALE
PIRIDOSSAMMINA
La piridossina viene trasformata in piridossale e/o piridossamina le quali, una volta
fosforilate al CH2OH, costituiscono la forma biologicamente attiva della vitamina B6
(piridossalfosfato), funzionando come coenzimi. Le reazioni in cui sono coinvolte
riguardano sia il metabolismo degli amminoacidi che di vari altri composti. Il coenzima
si lega covalentemente all'apoenzima, formando una base di Schiff con il gruppo
(epsilon)-amminico di una lisina, che viene poi sostituito da quello del substrato. Il
gruppo amminico viene poi utilizzato per diverse vie metaboliche a seconda dell'enzima
coinvolto nella reazione.
BIOTINA (VITAMINA B7 / H)
La biotina è solubile in acqua, resistente al calore,
alle basi ed agli acidi.
Svolge il ruolo di cofattore di diverse carbossilasi
ATP-dipendenti funzionando come trasportatore di
CO2. Si lega al sito attivo dell'enzima tramite un
legame ammidico che si forma tra il gruppo
carbossilico dell'acido valerianico ed un gruppo
aminico di un residuo di lisina.
Viene sintetizzata anche dai batteri
intestinali, ma viene sequestrata dall’avidina,
una proteina presente nell’albume d’uovo
crudo, che la lega specificamente
impedendone l’assorbimento.
ACIDO FOLICO (VITAMINA B9)
L'acido folico, unica forma attiva dei folati
alimentari assorbita dall'organismo, è una
vitamina idrosolubile del gruppo B necessaria
per tutte le reazioni di sintesi, riparazione e
metilazione del DNA; per il metabolismo
dell'omocisteina (rimetilazione), e di altre
importanti reazioni biochimiche, specialmente
quando sono implicati intensi periodi di
divisione cellulare in caso di crescita rapida.
La molecola si compone di tre
parti: un nucleo eterociclico,
l’acido p-amminobenzoico (PABA)
e l’acido glutammico
viene ridotta ad acido
tetraidrofolico FH4,
trasportatore di gruppi
–CH2OH, -CHO o –CH3.
COBALAMINA (VITAMINA B12)
E’ costituita da un anello di corrina (simile al gruppo eme)
che coordina uno ione Co e da un ribonucleotide.
L'atomo di cobalto (un elemento altrimenti
estremamente tossico per l'organismo)
nell'idrossicobalamina si trova nello stato di
ossidazione +3. Per ottenere la forma attiva, una
flavoproteina reduttasi, utilizzante NADH, riduce il
cobalto prima a +2 e poi a +1. Sotto questo stato di
ossidazione Co si può legare a una molecola di ATP
formando la 5-deossiadenosilcobalamina.
In questa forma, la vitamina B12 è un coenzima
necessario all’azione di molti enzimi, tra cui alcuni
preposti alla sintesi dei 2-desossiribonucleotidi.
VITAMINE LIPOSOLUBILI
C H2
Sono tutti composti isoprenoidi, ossia derivanti
dall’isoprene (2-metilbutadiene)
H 2C
C
C
H
H 3C
Svolgono svariate funzioni per le quali vengono utilizzate tal quali, senza modificazioni.
La loro caratterizzazione è stata più difficile e il loro ruolo è meno noto rispetto alle
vitamine idrosolubili.
VITAMINA A
-carotene
scissione
ossidativa
OH
VITAMINA A
(trans-retinolo)
Sembra probabile che la vitamina A
abbia un ruolo nel trasporto degli
ioni Ca2+ attraverso le membrane.
il retinolo viene
ossidato a retinale,
importante nel
meccanismo della
visione notturna.
H
O
trans-RETINALE
cis-RETINALE
H
O
L’11-cis-retinale forma un complesso, detto rodopsina, con la proteina opsina, ma assorbe
luce trasformandosi nella forma trans (transizione * che permette la rotazione con
isomerizzazione del doppio legame), dando luogo a scissione del complesso con la
proteina, che dà luogo a una risposta nervosa. In seguito, una sequenza di reazioni
enzimatiche rigenera l’ 11-cis-retinale, che si riassocia all’opsina riformando la rodopsina.
VITAMINE DEL GRUPPO D
Per vitamina D si intende un gruppo di pro-ormoni liposolubili
costituito da 5 diverse vitamine: vitamina D1, D2, D3, D4 e D5.
Le due più importanti forme nella quale la vitamina D si può
trovare sono la vitamina D2 (ergocalciferolo) e la vitamina D3
(colecalciferolo), entrambe le forme dall'attività biologica
molto simile. Il colecalciferolo (D3), derivante dal colesterolo, è
sintetizzato negli organismi animali, mentre l'ergocalciferolo
(D2) è di provenienza vegetale.
COLECALCIFEROLO
Queste sono le forme principali che costituiscono il gruppo vitaminico D:
•vitamina D1 : composto costituito in parti 1:1 di ergocalciferolo e lumisterolo
•vitamina D2 : ergocalciferolo
•vitamina D3 : colecalciferolo
•vitamina D4 : diidroergocalciferolo
•vitamina D5 : sitocalciferolo
ERGOCALCIFEROLO
luce
colecalciferolo (D3)
7-deidrocolesterolo
luce
ergosterolo
ergocalciferolo (D2)
La vitamina D
ha un ruolo nel
metabolismo
degli ioni Ca2+
VITAMINA E
La vitamina E (-tocoferolo) ha la funzione di rimuovere i radicali dell’ossigeno e
altri radicali liberi. Quest’azione antiossidante è importante perché impedisce il
danneggiamento degli acidi grassi polinsaturi delle membrane biologiche. Il deficit
di vitamina E si manifesta con un indebolimento dei globuli rossi.
Gli oli vegetali contengono
diversi tocoferoli e tocotrienoli,
fra cui l’ -tocoferolo è il più
abbondante e il più attivo
VITAMINA K
La vitamina K prende parte ad una via di sintesi che porta
alla proteina trombina, responsabile della coagulazione del
sangue. Sembra anche che possa funzionare come
coenzima in una catena di trasporto di elettroni.
Fillochinone (vitamina K1)
O
O
Menadione (vitamina K3)
vitamina K2 (n = 6-10)
Strutturalmente la vitamina K è un chinone, in quanto tale
può dar luogo ad un equilibrio redox chinone-idrochinone.
ox
red
+ H2
Questa reazione reversibile consente al chinone di servire da
trasportatore di elettroni.
COENZIMA Q (UBICHINONE)
E’ strutturalmente simile alla vitamina K
Coenzima Q in forma ossidata
·
forma radicalica
Coenzima Q in forma ridotta
Come nel caso della vitamina K, si conoscono diversi ubichinoni,
differenti per la lunghezza della catena laterale isoprenoide.
Anche in questo caso, la molecola può prender parte a processi
reversibili di ossidoriduzione, e rappresenta quindi un coenzima
trasportatore di elettroni liposolubile.
Il nome ubichinone fa riferimento alla sua ubiquitarietà in piante,
animali e microrganismi.
IL GRUPPO EME: UN COENZIMA METALLORGANICO
CLOROFILLA
LA PORFIRINA
EME
L'eme costituisce il gruppo prostetico, cioè la parte non proteica
(quella proteica è detta apoproteina), di una serie di proteine tra cui
l'emoglobina, la mioglobina e i citocromi. Questa molecola deve la
sua importanza al fatto che può legare l'ossigeno, sia in forma
molecolare sia in altri composti (biossido di carbonio CO2, monossido
di carbonio CO, H2O, ecc) proprio grazie all'atomo di ferro.
ATP
È uno dei reagenti necessari per la sintesi del RNA, ma soprattutto è il collegamento
chimico fra catabolismo e anabolismo e ne costituisce la "corrente energetica".
L'ATP è il composto ad alta energia richiesto dalla quasi totalità delle
reazioni metaboliche endoergoniche. Esso viene prodotto secondo la
reazione endoergonica:
ADP + Pi + E => ATP