son componente no proteico, termoestable y de baja masa molecular, necesario para la acción de una enzima. El cofactor se une a una estructura proteica, denominada apoenzima, y el complejo apoenzima-cofactor recibe el nombre de holoenzima.
Hay dos tipos de cofactores: los iones esenciales (principalmente iones metálicos) y los compuestos orgánicos llamados coenzimas. Los cofactores, tanto inorgánicos como orgánicos, se transforman en partes esenciales de los sitios activos de ciertas enzimas.
Las coenzimas funcionan como reactivos de transferencia de grupos. Son especificas para los grupos que acepta y dona.
Hidrógeno
Electrón
Grupos químicos mayores
Muchas enzimas requieren cationes inorgánicos:
Más de la cuarta parte de todas las enzimas conocidas requieren cationes metálicos para tener actividad catalítica total. Estas enzimas se pueden dividir en dos grupos: enzimas activadas por metal y metaloenzimas. Las enzimas activadas por metal tienen necesidad absoluta de iones metálicos adicionales, o son estimuladas por adición de iones metálicos. Algunas de esas enzimas requieren cationes monovalentes, como K y otras necesitan cationes divalentes, como Ca o Mg. Las metaloenzimas contienen iones metálicos firmemente unidos en sus sitios activos. Los iones que más se suelen encontrar en las metaloenzimas son de metales de transición como hierro y zinc, y con menos frecuencia cobre y cobalto. Los iones metálicos que se unen fuertemente a las enzimas con frecuencia tienen funciones predominantes en la catálisis. Los iones de algunas metaloenzimas pueden funcionar como catalizadores electrofílicos.
Clasificación de las coenzimas:
Las coenzimas se clasifican en :
Cosustratos: con frecuencia son sustratos en reacciones catalizadas por enzimas. Un cosustrato se altera durante la reacción y se disocia del sitio activo. La estructura original del cosustrato se regenera en una reacción posterior, catalizada por la enzima. El cosustrato se recicla en la célula.
Los cosustratos llevan y traen grupos metabólicos entre distintas reacciones catalizadas por enzimas.
Grupos prostéticos: permanece unido a la enzima durante la reacción. Generalmente se unen de manera covalente a la enzima o puede estar unido por muchas interacciones débiles.
Vitaminas:
Fue acuñada por Casimir Funk en 1912 para describir una "amina vital" de los hollejos del arroz, que curaba el beriberi, una enfermedad por deficiencia nutricional que causa degeneración neural. El beriberi fue descrito primero en los pájaros, y después en humanos cuyas dietas consistían principalmente en arroz limpio (pulido). La sustancia anti-beriberi (tiamina) se conoció como vitamina B1.
Las Vitaminas se clasifican en:
·
Vitaminas Hidrosolubles:
son las vitaminas son las que se
disuelven en agua. Se almacenan en una
cantidad limitada, y se requiere consumo frecuente para conservar la saturación
de los tejidos. Se dividen en: Complejo
B (B1, B2, B3, B5, B6, B12, etc.) y Acido Ascórbico. el complejo B comprende muchos compuestos que muestran grandes diferencias en su
estructura y efecto biológico. El Acido Ascórbico o Vitamina C se encuentra
concentrada especialmente en frutas cítricas.
Algunas vitaminas y sus enfermedades relacionadas por deficiencia en la dieta
ATP y otros cosustratos nucleótidos
Hay varios trifosfatos nucleósidos que son coenzimas. Con mucho, el más abundante es el trifosfato de adenosina (ATP, adenosine triphosphate). Entre otros ejemplos frecuentes están el GTP, la S-adenosilmetionina y azúcares nucleótido, como la difosfato de uridina glucosa (UDP-glucosa). El ATP (figura 7.4) es un reactivo versátil que puede donar sus grupos fosforilo, pirofosforilo, adenililo (AMP) o adenosilo en reacciones de transferencia de grupo. La reacción más común donde interviene el ATP es la transferencia del grupo fosforilo.
El ATP también es la fuente de otras coenzimas metabólicas. Una es la S-adenosilmetionina (figura 7.5), y es sintetizada por la reacción de metionina con ATP.
Metionina + ATP → S-Adenosilmetionina Pi PPi
NAD y NADP
Las coenzimas de nicotinamida son nicotinamida adenina dinucleótido (NAD) y el fosfato de nicotinamida adenina dinucleótido (NADP), muy relacionado. Fueron las primeras coenzimas que se conocieron. Ambas contienen nicotinamida, la amida del ácido nicotínico. El ácido nicotínico (llamado también niacina) es el factor que falta en la pelagra. Es esencial como precursor de NAD y NADP. (En muchas especies, el triptófano se degrada a ácido nicotínico. En consecuencia, el triptófano en la dieta puede suplir algo de los requisitos de niacina o nicotinamida). Como el ácido nicotínico es el derivado de piridina con 3-carboxilo, con frecuencia se llaman coenzimas nucleótidos de piridina a las coenzimas de nicotinamida. Las coenzimas de nicotinamida participan en muchas reacciones de oxidación-reducción. Ayudan en la transferencia de electrones hacia metabolitos y desde éstos. Las formas oxidadas, NAD y NADP, carecen de electrones, y las formas reducidas, NADH y NADPH, tienen un par adicional de electrones en forma de un ion hidruro unido en forma covalente.
Estructura de las coenzimas:
Formas oxidada y reducida de NAD (y de NADP). El anillo de piridina de la se reduce por la adición de un ion hidruro al C-4 cuando la se convierte en NADH (y cuando el NADP se convierte en NADPH). En el se fosforila el grupo 2-hidroxilo del anillo de azúcar en la adenosina. El centro reactivo de estas coenzimas se muestra en gris oscuro.
FAD y FMN
Las coenzimas flavina adenina dinucleótido (FAD) y flavina mononucleótido (FMN) se derivan de la riboflavina o vitamina B2. La riboflavina es sintetizada por bacterias, protistas, hongos, plantas y algunos animales. Los mamíferos obtienen riboflavina de su alimento. La riboflavina está formada por ribitol, un alcohol con cinco carbonos unido al átomo N-10 de un sistema de anillo heterocíclico llamado isoaloxazina. Igual que el NAD y el el FAD contiene AMP y un enlace de pirofosfato.
El FAD y FMN se reducen a FADH2 y FMNH2, tomando un protón y dos electrones en forma de un ion hidruro. Las enzimas oxidadas son amarillo brillante, como resultado del sistema de doble enlace conjugado del sistema anular de isoaloxazina. El color se pierde cuando las coenzimas se reducen a FMNH2 y FADH2. A diferencia de la NADH y NADPH, que participan sólo en la transferencia de doselectrones, las FMNH2 y FADH2 donan electrones, uno por uno, o dos al mismo tiempo. El compuesto FADH• o FMNH•, parcialmente oxidado, se forma cuando se dona un electrón. Estos intermediarios son radicales libres relativamente estables, llamados semiquinonas.
Coenzima A
Muchos procesos metabólicos dependen de la coenzima A (CoA o HS-CoA), como laoxidación de moléculas de combustible y la biosíntesis de algunos carbohidratos y lípidos. Esta coenzima interviene en reacciones de transferencia de grupo acilo, donde los grupos metabólicos móviles son ácidos carboxílicos y ácidos grasos simples. La coenzima A tiene dos componentes principales: una unidad de 2 mercaptoetilamina, que tiene un grupo —SH libre, la vitamina pantotenato— (vitamina B5, una amida de β-alanina y pantoato), y una mitad de ADP, cuyo grupo hidroxilo 3 está esterificado con un tercer grupo fosfato. El centro reactivo de la CoA es el grupo —SH. Los grupos acilo se unen en forma covalente al grupo —SH para formar tioésteres. La fosfopanteteína, un éster de fosfato que contiene las mitades de 2-mercaptoetilamina y pantotenato de la coenzima A, es el grupo prostético de una pequeña proteína (de 77 residuos de aminoácidos) llamada proteína portadora de acilo (ACP, acyl carrier protein). El grupo prostético se esterifica formando ACP a través del oxígeno en la cadena lateral de un residuo de serina.
Pirofosfato de tiamina:
La tiamina (o vitamina B1) contiene un anillo de pirimidina y un anillo de tiazolio con carga positiva. En los mamíferos, la tiamina es una vitamina esencial. Abunda en las cáscaras de arroz y en otros cereales. La coenzima es el pirofosfato de tiamina (TPP, thiamine pyrophosphate). El TPP se sintetiza a partir de la tiamina, por transferencia enzimática de un grupo pirofosforilo del ATP.
También el TPP es una coenzima que interviene en la descarboxilación oxidante de α-cetoácidos distintos del piruvato. Además, el TPP es un grupo prostético para las enzimas llamadas transcetolasas, que catalizan la transferencia de grupos de dos carbonos que contienen un anillo ceto, entre moléculas de azúcar.
Fosfato de piridoxal
La familia de vitaminas B6 hidrosolubles consiste en tres moléculas estrechamente relacionadas que sólo difieren en el estado de oxidación o aminación en el carbono unido a la posición 4 del anillo de piridina. La vitamina B6, con mayor frecuencia piridoxal o piridoxamina, se encuentra con facilidad en muchas fuentes vegetales y animales. Las deficiencias de B6 inducidas en ratas causan dermatitis y diversas alteraciones relacionadas con el metabolismo de las proteínas, pero en realidad son raras las deficiencias de B6 en humanos. El fosfato de piridoxal es el grupo prostético de muchas enzimas que catalizan diversas reacciones donde intervienen aminoácidos, como isomerizaciones, descarboxilaciones y eliminaciones o sustituciones de cadena lateral.
Biotina
La biotina es un grupo prostético para enzimas que catalizan reacciones de transferencia del grupo carboxilo y reacciones de carboxilación dependientes de ATP. La biotina está unida en forma covalente al sitio activo de su enzima anfitriona por un enlace de amida al grupo e-amino de un residuo de lisina.
La biotina se identificó por primera vez como factor esencial para el crecimiento de las levaduras. Como la biotina es sintetizada por las bacterias intestinales, y sólo se requiere en muy pequeñas cantidades (microgramos por día), es rara la deficiencia de biotina en los humanos o animales alimentados con dietas normales. Sin embargo, se puede inducir una deficiencia de biotina ingiriendo claras de huevo crudas, que contienen una proteína llamada avidina. La avidina se une fuertemente a la biotina y la hace no disponible para absorción en el tracto intestinal. Cuando se cocinan los huevos, la avidina se desnaturaliza y pierde su afinidad hacia la biotina.
Tetrahidrofolato
La vitamina folato se aisló por primera vez a principios de la década de 1940, a partir de hojas verdes, hígado y levadura. El folato tiene tres componentes principales: pterina (2-amino-4-oxopteridina), una mitad de ácido p-aminobenzoico, y un residuo de glutamato.
Los humanos requieren folato en su dieta, porque no pueden sintetizar el compuesto pterina-ácido p-aminobenzoico (PABA, p-aminobenzoic acid), y no se puede adicionar glutamato a PABA exógeno.
La estructura de la coenzima folato, que se llaman tetrahidrofolato en forma colectiva, difieren de la vitamina en dos cosas: son compuestos reducidos (5,6,7,8-tetrahidropterinas) y están modificadas por adición de residuos de glutamato unidos entre sí mediante enlaces de g-glutamilamida.
Los humanos requieren folato en su dieta, porque no pueden sintetizar el compuesto pterina-ácido p-aminobenzoico (PABA, p-aminobenzoic acid), y no se puede adicionar glutamato a PABA exógeno.
La estructura de la coenzima folato, que se llaman tetrahidrofolato en forma colectiva, difieren de la vitamina en dos cosas: son compuestos reducidos (5,6,7,8-tetrahidropterinas) y están modificadas por adición de residuos de glutamato unidos entre sí mediante enlaces de g-glutamilamida.
La principal función metabólica de la dihidrofolato reductasa es la reducción del hidrofolato producido durante la formación del grupo metilo en el timidilato (dTMP).
Cobalamina
La cobalamina (vitamina B2) es la mayor de las vitaminas B, y fue la última que se aisló.
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| Estructura de la cobalamina |
Algunas especies de bacterias sintetizan la cobalamina. Todos los animales la requieren como micronutriente, y también algunas bacterias y algas. Las plantas no requieren cobalamina, por lo que no la sintetizan. En consecuencia, y en el caso normal, los humanos obtienen la vitamina B12 a partir de alimentos de origen animal. La deficiencia de cobalamina puede causar anemia perniciosa, enfermedad potencialmente fatal debida a una disminución en la producción de glóbulos rojos por la médula ósea.
Lipoamida
La coenzima lipoamida es la forma de ácido lipoico unida a proteína. Aunque a menudo se dice que el ácido lipoico es una vitamina B, parece que los animales pueden sintetizarlo.El ácido lipoico es un ácido carboxílico con ocho carbonos (ácido octanoico) en el que se han sustituido dos átomos de hidrógeno, uno en el C-6 y otro en el C-8, por grupos sulfhidrilo en enlaces disulfuro. El ácido lipoico siempre está unido en forma covalente por un enlace de amida, a través de su grupo carboxilo, al grupo e-amino de un residuo de lisina en una proteína. Esta estructura se encuentra en las dihidrolipoamida aciltransferasas, componentes proteínicos del complejo piruvato deshidrogenasa, y en el complejo a-cetoglutarato deshidrogenasa; ambos complejos son de varias enzimas, y están asociados al ciclo del ácido cítrico.
Vitaminas lipídicas
Las estructuras de las cuatro vitaminas lipídicas (A, D, E y K) contienen anillos y largas cadenas laterales alifáticas. Las vitaminas lipídicas son muy hidrofóbicas, aunque cada una posee cuando menos un grupo polar. Al ingerirse son absorbidas en el intestino por un proceso parecido a la absorción de otros nutrientes lípidos.
Las estructuras de las cuatro vitaminas lipídicas (A, D, E y K) contienen anillos y largas cadenas laterales alifáticas. Las vitaminas lipídicas son muy hidrofóbicas, aunque cada una posee cuando menos un grupo polar. Al ingerirse son absorbidas en el intestino por un proceso parecido a la absorción de otros nutrientes lípidos.
Vitamina A
La vitamina A, o retinol, es una molécula lipídica con 20 carbonos, que se obtiene en la dieta, ya sea en forma directa o indirecta, como b-caroteno. Las zanahorias y otras verduras amarillas son ricas en b-caroteno, un lípido vegetal con 40 carbonos cuya ruptura oxidante enzimática produce la vitamina A.
La vitamina A existe en tres formas que difieren en estado de oxidación del grupo funcional terminal: el retinol, un alcohol estable, el retinal, un aldehído, y el ácido retinoico. Los tres compuestos tienen funciones biológicas importantes. El ácido retinoico es un compuesto señalador que se une a proteínas receptoras dentro de las células; los complejos ligando-receptor se unen entonces a cromosomas y pueden regular la expresión genética durante la diferenciación celular. El aldehído retinal es un compuesto sensible a la luz, con importante papel en la visión. El retinal es el grupo prostético de la proteína rodopsina, y la absorción de un fotón de luz en el retinal dispara un impulso nervioso.
Vitamina D
La vitamina D es un nombre colectivo de un grupo de lípidos relacionados. Cuando los humanos se exponen a suficiente luz solar, se forma vitamina D3 (colecalciferol) en forma no enzimática, en la piel, a partir del esteroide 7-dehidrocolesterol. La vitamina D2, compuesto relacionado con la vitamina D3 (la D2 tiene un grupo metilo adicional) es el aditivo en leches fortificadas. La forma activa de la vitamina D3, el 1,25-dihidroxicolecalciferol, se forma a partir de la vitamina D3 mediante dos reacciones de hidroxilación
La vitamina D es un nombre colectivo de un grupo de lípidos relacionados. Cuando los humanos se exponen a suficiente luz solar, se forma vitamina D3 (colecalciferol) en forma no enzimática, en la piel, a partir del esteroide 7-dehidrocolesterol. La vitamina D2, compuesto relacionado con la vitamina D3 (la D2 tiene un grupo metilo adicional) es el aditivo en leches fortificadas. La forma activa de la vitamina D3, el 1,25-dihidroxicolecalciferol, se forma a partir de la vitamina D3 mediante dos reacciones de hidroxilación
Vitamina E
La vitamina E, o a-tocoferol es uno de varios tocoferoles estrechamente relacionados; son compuestos que tienen un sistema anular bicíclico oxigenado, con una cadena lateral hidrofóbica. El grupo fenol de la vitamina E puede oxidarse y formar un radical libre estable. Se cree que la vitamina E funciona como agente reductor que secuestra oxígeno y radicales libres; esta acción oxidante podría evitar daños a los ácidos grasos en las membranas biológicas.
La vitamina E, o a-tocoferol es uno de varios tocoferoles estrechamente relacionados; son compuestos que tienen un sistema anular bicíclico oxigenado, con una cadena lateral hidrofóbica. El grupo fenol de la vitamina E puede oxidarse y formar un radical libre estable. Se cree que la vitamina E funciona como agente reductor que secuestra oxígeno y radicales libres; esta acción oxidante podría evitar daños a los ácidos grasos en las membranas biológicas.
Vitamina KLa vitamina K (filoquinona) es una vitamina lipídica procedente de plantas, necesaria en la síntesis de algunas de las proteínas que intervienen en la coagulación sanguínea. Es una coenzima de una carboxilasa de mamíferos que cataliza la conversión de residuos específicos de glutamato para formar residuos de g-carboxiglutamato. La forma reducida (hidroquinona) de la vitamina K participa en la carboxilación como agente reductor.
Ubiquinona
La ubiquinona, llamada también coenzima Q y en consecuencia se abrevia Q, es una coenzima soluble en lípidos, sintetizada por casi todas las especies. Es una benzoquinona con cuatro sustituyentes, uno de los cuales es una larga cadena hidrofóbica. Esta cadena, formada por 6 a 10 unidades de isoprenoides, permite que la ubiquinona se disuelva en los lípidos de las membranas. La ubiquinona es un agente oxidante más enérgico que NAD o que las coenzimas de flavina. En consecuencia, lo pueden reducir NADH o FADH2. Igual que el FMN y el FAD, la ubiquinona puede aceptar o donar dos electrones, uno o dos al mismo tiempo, porque tiene tres estados de oxidación: Q oxidado, radical libre de semiquinona parcialmente reducida y la totalmente reducida QH2, llamada ubiquinol.
Algunas proteínas funcionan como coenzimas. No catalizan reacciones ellas mismas, pero ciertas enzimas las necesitan. Esas coenzimas se llaman proteínas de transferencia de grupo, o proteínas coenzimas. Contienen un grupo funcional que es parte de la columna vertebral de la proteína, o bien es un grupo prostético. En general son más pequeñas y más termoestables que la mayor parte de las enzimas. Las proteínas coenzimas se llaman coenzimas porque participan en muchas y diversas reacciones, y se asocian a una variedad de enzimas diferentes.
Citocromos
Los citocromos son proteínas coenzimas que contienen hemo, cuyos átomos de Fe(III) sufren reducción reversible de un electrón. Los citocromos pueden ser de clase a, b y c, de acuerdo con sus espectros de absorción visible. Las clases tienen grupos hemo prostéticos un poco diferentes. El grupo hemo de los citocromos tipo b es igual al de hemoglobina y mioglobina. El hemo del citocromo a tiene una cadena hidrofóbica de 17 carbonos en el C-2 del anillo de porfirina, y un grupo formilo en el C-8, en tanto que el hemo tipo b tiene un grupo vinilo unido al C-2 y un grupo metilo en el C-8. En los citocromos tipo c, el hemo está unido en forma covalente a la apoproteína por grupos vinilo del hemo mediante dos enlaces tioéter que se forman por adición de los grupos tiol de dos residuos de cisteína.
Los citocromos son proteínas coenzimas que contienen hemo, cuyos átomos de Fe(III) sufren reducción reversible de un electrón. Los citocromos pueden ser de clase a, b y c, de acuerdo con sus espectros de absorción visible. Las clases tienen grupos hemo prostéticos un poco diferentes. El grupo hemo de los citocromos tipo b es igual al de hemoglobina y mioglobina. El hemo del citocromo a tiene una cadena hidrofóbica de 17 carbonos en el C-2 del anillo de porfirina, y un grupo formilo en el C-8, en tanto que el hemo tipo b tiene un grupo vinilo unido al C-2 y un grupo metilo en el C-8. En los citocromos tipo c, el hemo está unido en forma covalente a la apoproteína por grupos vinilo del hemo mediante dos enlaces tioéter que se forman por adición de los grupos tiol de dos residuos de cisteína.
Resumen de las vitaminas y formas coenzimáticas
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