Coënzymen

Coënzymen:

Coënzymen zijn organische verbindingen ( reagentia) die een enzym nodig heeft om een bepaalde reactie te kunnen uitvoeren.

Coënzym: een voor de activiteit van een enzym onmisbare factor, die met het eiwitgedeelte van een enzym geassocieerd is.

De coënzymen zijn verbindingen met een relatief laag molecuulgewicht, die gemakkelijk diffunderen door een membraan dat eiwitmoleculen tegenhoudt. Bovendien zijn de coënzymen bestand tegen verhitting in waterige oplossing, terwijl de eiwitcomponenten dan irreversibel denatureren.

Het coënzym is bepalend voor het type reactie dat een enzym zal katalyseren, maar de eiwitcomponent bepaalt welke verbinding deze reactie kan ondergaan ( specificiteit ).

Vitamines ( met name de in water oplosbare ) zijn veelal voorstadia van coënzymen, sommige vitamines zijn zelf coënzym.



Coënzym A:

Brutoformule: C₂₁H₃₆N₇O₁₆P₃S

Coënzym A werd in 1945 door Fritz Albert Lipmann ontdekt , die voor deze ontdekking in 1953 een Nobelprijs kreeg. ( autobiografie )

Coënzym A is opgebouwd uit een cysteamine-eenheid, een pantotheenzuurfragment en adenosinedifosfaat.

Het chemisch actieve gedeelte van dit coënzym is de thiolgroep, vandaar dat het vaak wordt afgekort als CoA-SH.

Het lange CoA-gedeelte van CoA-SH dient om goede bindingsinteracties aan te gaan met de enzymen die van dit coënzym gebruik maken.

Het thiolaatanion is door zijn goede polariseerbaarheid een zeer goed nucleofiel en bovendien een zeer goede vertrekkende groep. Deze eigenschap maakt coënzym A bijzonder geschikt om op te treden in omesteringsreacties.

Bekend is de werking van acetylcoënzym A in de biosynthese van vetzuren. Acetylcoënzym A treedt op als algemeen reagens voor acetyloverdracht op talrijke plaatsen in de cel. Coënzym A speelt een centrale rol in het metabolisme van vetten, koolhydraten en eiwitten waarvan de afbraak plaatsvindt via acetyl-CoA ( citroenzuurcyclus). CoA is ook betrokken bij de biosynthese van vetzuren en bij acetyleringsreacties, zoals de vorming van acetylcholine. De acetylering van CoA-SH tot acetyl-S-CoA door de energieke verbinding acetylfosfaat wordt gekatalyseerd door het enzym fosfotransacetylase.

Coënzym A











Nicotinamide Adenine Dinucleotide ( NAD⁺ )

Bruto formule: C₂₁H₂₈N₇O₁₄P₂

Dit is een verbinding die bestaat uit nicotinezuuramide-, ribose-, pyrofosfaat- en adeninemoleculen.

NAD+ is de belangrijkste elektronenacceptor bij de oxidatie van brandstofmoleculen.

De gereduceerde vorm van NAD+ is NADH.
Dit NADH wordt via de elektronentransportketen weer geoxideerd, waarbij het energierijke ATP ( adenosine tri-fosfaat) opgebouwd wordt.

Wanneer het coënzym is betrokken bij de opbouw van stoffen tijdens de biosynthese, bevat het een extra fosfaatgroep op de 2’-plaats van ribose (NAD+ en NADPH).

Bij de biosynthese van de vetzuren bijvoorbeeld, worden de vier elektronen die nodig zijn voor de reductie van een carbonylgroep tot een methyleengroep, geleverd door twee moleculen NADPH.

 






Nicotinamide Adenine Dinucleotide ( NAD⁺ )










Flavine Adenine Dinucleotide ( FAD ); Flavine Adenine Mononucleotide ( FMN)


Bruto formule FAD: C₂₇H₃₃N₉O₁₅P₂

Bruto formule FMN: C₁₇H₂₁N₄O₉P

FAD en FMN zijn belangrijke coënzymen in enzymatische redoxreacties.

De coënzymen zijn enzymatisch gemodificeerde versies van vitamine B2 ( Riboflavine) en bevatten als chemisch actief deel het flavinefragment ( de isoalloxazinering).

De flavine-ring dankt zijn naam aan het Latijnse woord flavius dat geel betekent. Verbindingen met het flavinefragment zijn als vaste stof en in neutrale oplossing helder geel.

Het vitamine riboflavine wordt enzymatisch in twee actieve coënzymvormen omgezet.

Fosforylering op de 5’-OH van de ribitylgroep geeft FMN.

Adenosinylering van FMN geeft FAD.

FAD treedt onder andere op als elektronenacceptor in oxidaties van alkanen naar alkenen waarbij FAD gereduceerd wordt tot FADH2.

Flavine Adenine Dinucleotide en Flavine Adenine Mononucleotide

Thiaminepyrofosfaat

Bruto formule:  C₁₂H₁₉ClN₄O₇P₂S

Thiaminepyrofosfaat is opgebouwd uit thiamine ( vitamine B₁) en een pyrofosfaatgroep.
De pyrofosfaatgroep fungeert als geladen groep voor bindingsinteracties met de enzymen die van dit coënzym gebruik maken.
Het thiaminedeel bestaat uit een pyrimidine- en een thiazoliumring, verbonden via een methyleengroep.

Het coënzym is behulpzaam bij de enzymatische decarboxilering van α-ketozuren .

Thiaminepyrofosfaat

Pyridoxaalfosfaat

Bruto formule: C₈H₁₀NO₆P

Het coënzym pyridoxaalfosfaat wordt opgebouwd uit vitamine B₆ (pyridoxine).

Pyridoxaalfosfaat is een coënzym voor een groot aantal verschillende enzymen die betrokken zijn bij de chemische veranderingen op de α,ß en γ plaats van de natuurlijke α-aminozuren.

Enzymen die met behulp van pyridoxaalfosfaat werken, vallen in een van de volgende vier klassen;

aminotransferasen
decarboxylasen
racemasen
lyasen.

De reactie tussen aminozuren en de pyridoxaalfosfaat bevattende enzymen verloopt via de positief geladen iminiumverbindingen.
Voorbeelden hiervan zijn de transaminering van aminozuren en de decarboxylatie van aminozuren.
In alle gevallen is de functie van het pyridoxaalfosfaat die van een energetisch gunstige elektronenput waardoor de carbanionen gestabiliseerd worden die tijdens de enzymatische reacties gevormd worden.

Pyridoxaalfosfaat

Coënzym B₁₂

Synoniemen voor dit coënzym zijn: Cobamide coenzyme; Adenosylcobalamin; Deoxyadenosylcobalamin;Cobamamide; Vitamin B12 coenzyme; Calomide; Cobalamin coenzyme

Brutoformule C₇₂H₁₀₅CoN₁₈O₁₇P

Coënzym B₁₂, een vorm van vitamine B₁₂, is een kobaltbevattend coënzym met een complexe structuur. Het bevat een gemodificeerd porfirineringssysteem.

Naast bindingen met de pyrroolgroepen in het porfirineringssysteem kan kobalt nog twee andere liganden binden, loodrecht op het vlak van het ringsysteem.

Afhankelijk van de cellulaire functie van coënzym B₁₂ kunnen verschillende groepen verbonden worden.

In enzymatische reacties is coënzym B₁₂ vooral actief als katalysator bij omleggingen van 2-methylmalonzure ester naar barnsteenzure ester.
 

Coënzym B₁₂

Tetrahydrofolaat

Bruto formule: C₁₉H₂₃N₇O₆

Het coënzym tetrahydrofolaat is afkomstig van het vitamine foliumzuur.
Het is als coënzym betrokken bij de vorming van C-C bindingen waarbij een fragment van één koolstof atoom  wordt overgedragen.

Het één-koolstoffragment dat door tetrahydrofoliumzuur ( FH₄) wordt overgedragen is gebonden aan N-5, N-10 of aan beide.

De koolstofeenheid kan voorkomen in drie oxidatietoestanden: de meest gereduceerde vorm ( de methylgroep, -CH₃), een tussenvorm ( de methyleengroep,-CH₂-) en de meest geoxideerde vorm ( de formylgroep,-CHO).

De hoogst geoxideerde vorm van koolstof, CO₂, wordt door biotine overgedragen en niet door FH₄.

Door enzymatische redoxreacties zijn de verschillende oxidatievormen van het één-koolstoffragment in elkaar om te zetten.

Tetrahydrofolaat

Biotine

Bruto formule: C₁₀H₁₆N₂O₃S
Biotine ( een enkele maal aangeduid als vitamine H) wordt in de biosynthese toegepast als coënzym op plaatsen waar CO₂ wordt overgedragen.

Een voorbeeld van waar dit gebeurt, vinden we in de biosynthese van vetzuren waar acetyl-CoA wordt omgezet in malonyl-CoA. Dit proces wordt gekatalyseerd door het enzym acetyl-CoA-carboxilase dat gebruik maakt van biotine als coënzym. Het biotine is hierbij covalent gebonden aan de ε-aminogroep van een lysineresidu van het enzym.

Bij de carboxylering van acetyl-CoA wordt eerst een carboxy-biotine intermediair gevormd. De geactiveerde CO₂-groep wordt daarna overgedragen naar acetyl-CoA, waarbij malonyl-CoA wordt gevormd.

Biotine wordt in voldoende mate aangemaakt door bacteriën in de dikke darm.

Biotine

ATP

Bruto formule: C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃

Synoniem:ATP; adenosine 5'-triphosphate; dATP; 5'-adenylate triphosphate; 5'-rATP; rATP; 5'-dATP; 5'-deoxyadenylate triphosphate; deoxyadenosine 5'-triphosphate; deoxyadenosine triphosphate; Adenosine 5'-triphosphate disodium salt (ATP).

Adenosinetrifosfaat ( ATP ) is een nucleotide ( stof opgebouwd uit een stikstofrijk molecuul (( purine - of pyrimidine-base )) , een suikermolecuul  en fosforzuur ) dat als co-factor bij vele enzymatische reacties in het lichaam wordt gebruikt.

ATP wordt uit adenosinedifosfaat ( ADP )  gevormd bij de oxidatie van suikers, eiwitten en vetten en wordt verbruikt bij energiebehoevende processen in de cel.

ATP wordt vaak het " universele betaalmiddel" genoemd voor de cellulaire energie. Het is voor de cellen een geriefelijke manier om energie op slaan die de cellen nodig hebben om proteïnen te synthetiseren, of voor het kopiëren van DNA, en de opbouw van nieuwe organellen.

ATP is ook nodig voor bijvoorbeeld de spiercontractie, het pompen van water door membranen en de verplaatsing van cellen.

Naast de energievoorziening helpen mitochondriën ook bij de regulatie van concentraties  calcium en andere elektrisch geladen deeltjes in het cytoplasma. Ook recyclen zij- en breken zij de energie in vetzuren en aminozuren af .

Hoewel de mitochondriën al vanaf het jaar 1880 onderzocht worden, duurde het vele jaren voordat wetenschappers het functioneren van dit organel begrepen.

Het proces waarbij de mitochondriën zuurstof gebruiken om de chemische energie , die is opgeslagen in voedsel, vrij te maken , wordt cellulaire ademhaling genoemd. ( cellular respiration ).

In de vroege jaren 1900 werd ontdekt dat de biochemische reacties van dit type ademhaling in twee hoofdgroepen vallen : het koolstof traject , waarin suiker wordt afgebroken tot kooldioxide en waterstof ; en het waterstof traject waarbij waterstof in stappen wordt omgezet in zuurstof , waarbij water wordt gevormd en energie vrijkomt.

In het waterstof traject passeren de elektronen van waterstof de " elektronen transportketen " . Deze elektronen transportketen bestaat uit 5 enzymcomplexen. Tijdens het transport van deze elektronen door de elektronen transportketen, geven de elektronen een deel van hun energie af. Deze energie wordt dan opgeslagen in moleculen ATP. Aan het einde van de keten zijn voor elke molecuul suiker, 38 moleculen ATP gevormd.

Soms wordt een totaal van 36 ATP aangehouden, omdat bekend is dat in eukaryote cellen het gereduceerde NAD, dat gevormd is door de glycolyse in het cytoplasma, actief getransporteerd moet worden over de mitochondriële membraan om beschikbaar te komen voor de elektronentransportketen. Het actieve transport over het membraan kost 1 ATP voor elk NADH dat getransporteerd wordt. Wanneer men zo wil redeneren , moet men ook het actieve transport van andere moleculen in ogenschouw nemen. ( pyruvaat ? , fosfaat ? , Mg⁺ etc ).  Het juiste netto resultaat van ATP is onbekend , maar moet worden beschouwd als minder dan 36.

ATP

GTP

Bruto formule: C₁₀H₁₆N₅O₁₄P₃

Guanosine trifosfaat: synoniemen: Guanosine 5'-triphosphate, disodium salt; GTP dihydrate; 5'-guanylate triphosphate; 5'-rGTP; GTP; guanosine triphosphate; rGTP; guanosine-5-triphosphate disodium salt.

GTP