Kofaktor (biochémia)

Kofaktor je nebielkovinová chemická zlúčenina alebo ión kovu, ktorá je potrebná pre funkciu enzýmu ako katalyzátora (katalyzátor je látka, ktorá zvyšuj rýchlosť chemickej reakcie). Kofaktory sú vlastne „pomocné molekuly,“ ktoré pomáhajú s biochemickými transformáciami. Rýchlosti priebehu týchto reakcií sú zameraním enzýmovej kinetiky. Kofaktory sa zvyčajne líšia od ligandov (napríklad hormónov) v tom, že ich funkcia pochádza z toho, že ostávajú naviazané.
Kofaktory sa dajú rozdeliť na dva druhy: anorganické ióny a komplexné organické molekuly nazývané koenzýmy. Koenzýmy sú zvyčajne odvodené od vitamínov a iných organických živín esenciálnych v malých množstvách. Niektorí vedci využívajú termín „kofaktor“ len na anorganické látky, ale v tomto článku sa spomínajú oba druhy. V slovenčine sa medzi kofaktory typicky radia oba druhy.
Koenzýmy sa ďalej delia na dva druhy. Prvým z nich sú „prostetické skupiny,“ ktoré pozostávajú z koenzýmov, ktoré sú pevne (alebo kovalentne) a permanentne viazané na bielkovinu. Medzi prostetické skupiny patria napríklad FMN či FAD. Druhý druh so koenzýmy zvané „kosubstráty,“ ktoré sú viazané na proteín len dočasne. Kosubstráty môžu byť z enzýmu odštiepené a následne znovu naviazané. Mezdi kosubstráty patria typicky NAD+ alebo NADP+. Prostetické skupiny i kosubstráty majú rovnakú funkciu, teda sprostredkovávať reakcie enzýmov a proteínov. Hlavným rozdielom medzi nimi je spôsob ich regenerácie. Prostetická skupina je pevne viazaná na enzým, takže k jej regenerácii dochádza priamo na enzýme počas inej reakcie. Kosubstráty sú disociovateľné, takže často dochádza k regenerácii pri druhej reakcii na inom enzýme. Neaktívny enzým bez kofaktoru sa nazýva apoenzým (skladá sa z čisto bielkovinovej zložky) a kompletný enzým i s kofaktorom sa nazýva holoenzým. Definícia koenzýmu podľa IUPAC je trochu iná: konkrétne sú to nízkomolekulové neproteínové organické látky, ktoré sú slabo spojené s enzýmom a účastnia sa enzýmových reakcií ako disociovateľné nosiče chemických skupín či elektrónov. Naproti tomu IUPAC definuje prostetickú skupinu ako pevne viazanú nepolypeptidovú jednotku v proteíne, ktorá sa regeneruje počas každej reakcie. V slovenčine sa pojmy „prostetická skupina“ a „koenzým“ často zamieňajú.
Niektoré enzýmy či enzýmové komplexy vyžadujú niekoľko kofaktorov. Multienzýmový pyruvátdehydrogenázový komplex, napríklad, ktorý stojí medzi glykolýzou a citrátovým cyklom, vyžaduje päť organických kofaktorov a jeden kovový ión: slabo viazaný tiamínpyrofosfát (TPP), kovalentne viazané lipoamid a flavínadeníndinukleotid (FAD), kosubstráty nikotínamidadeníndinukleotid (NAD+) a koenzým A (CoA) a kovový ión (Mg2+).
Organické kofaktory sú často vitamíny alebo tvorené z vitamínov. Mnohé obsahujú nukleotid adenozínmonofosfát (AMP) ako časť ich štruktúry, napríklad ATP, koenzým A, FAD alebo NAD+. Táto spoločná štruktúra môže poukazovať na spoločný evolučný pôvod ako súčasť ribozýmov v RNA svete. Takisto bolo navrhnuté, že AMP ako súčasť molekuly sa dá považovať za „rúčku,“ ktorou enzým „zachytí“ tento koenzým na presun medzi katalytickými centrami.
Klasifikácia.
Kofaktory možno rozdeliť na dve hlavné skupiny: organické kofaktory, ako sú flavín a hem, a anorganické kofaktory, ako sú kovové ióny Mg2+ či Cu+ a železo-sírne klastre.
Organické kofaktory možno ďalej deliť na koenzýmy a prostetické skupiny. Pojem koenzým poukazuje konkrétne na enzýmy a teda funkčné vlastnosti proteínu. Na druhej strane prostetická skupina zdôrazňuje spôsob viazania kofaktoru na proteín (pevne alebo kovalentne), teda poukazuje na štruktúrne vlastnosti. Rôzne zdroje používajú mierne rozličné definície koeznýmov, kofaktorov a prostetických skupín. Niektorí považujú pevne viazané organické molekuly za prostetické skupiny a nie koenzýmy, zatiaľ čo iní definujú všetky nebielkovinové organické molekuly nutné pre enzýmovú aktivitu ako koenzýmy a klasifikujú tie z nich, ktoré sú pevne viazané, ako koenzýmové prostetické skupiny. Tieto pojmy sa v slovenčine často zamieňajú.
V roku 1980 list v "Trends in Biochemistry Sciences" poznamenal tento zmätok v literatúre a principiálne arbitrátny rozdiel medzi prostetickými skupinami a koenzýmami a navrhol nasledovné používanie. Kofaktory sú v ňom definované ako dodatočné látky mimo proteínu a substrátov, ktoré sú potrebné na enzýmovú aktivitu, a prostetická skupina je látka, ktorá podstupuje celý katalytický cyklus viazaná na jednu konkrétnu molekulu enzýmu. Autor však nenašiel konkrétnu definíciu pre koenzým, ktorá by popisovala všetky prípady, a navrhol, aby sa tento výraz prestal v literatúre používať.
Anorganické kofaktory.
Ióny kovov.
Ióny kovov sú bežné kofaktory. Štúdia týchto kofaktorov spadá pod bioanorganickú chémiu. Zoznam esenciálnych stopových prvkov vo výžive odráža ich úlohu v podobe kofaktorov. U ľudí zahŕňa tento zoznam železo, horčík, mangán, kobalt, meď, zinok a molybdén. Nedostatok chrómu spôsobuje narušenú toleranciu glukózy, avšak nebol identifikovaný žiadny ľudský enzým, ktorý by ho využíval ako kofaktor. Jód je takisto esenciálny stopový prvok, ale tento prvok sa vyskytuje v štruktúre tyroidných hormónov a nie ako enzýmový kofaktor. Vápnik je ďalší špeciálny prípad, ktorý je nutný ako zložka ľudskej potravy a je skutočne potrebný pre funkciu mnohých enzýmov, napríklad syntázy oxidu dusnatého, proteínových fosfatáz alebo adenylátkinázy, ale vápnik aktivuje tieto enzýmy alosterickou reguláciou a často sa na tieto enzýmy viaže v komplexe s kalmodulínom. Vápnik je teda využívaný v bunkovej signalizácii a bežne sa nepokladá sa kofaktor enzýmov, ktoré reguluje.
Niektoré organizmy vyžadujú ďalšie kovy ako enzýmové kofaktory, napríklad vanád v nitrogenáze u baktérií fixujúcich vzdušný dusík rodu "Azotobacter", wolfrám v aldehyd feredoxín oxidoreduktáze termofilného archeónu "Pyrococcus furiosus" a dokonca i kadmium v karbonickej anhydrázy z morských rozsievok "Thalassiosira weissflogii".
V mnohých prípadoch obsahuje kofaktor anorganickú i organickú zložku. Jedným z príkladov by mohli byť napríklad hemové proteíny, ktoré obsahujú porfyrínové kruhy viazané na železo.
Železo-sírne klastre.
Železo-sírne klastre sú komplexy atómov železa a síry, ktoré sa v proteínoch viazané cysteinylovými reziduami. Hrajú štruktúrnu i funkčnú úlohu, vrátane prenosu elektrónov, snímania redoxného potenciálu a ako štruktúrne moduly.
Organické kofaktory.
Organické kofaktory sú malé organické molekuly (typicky s molekulovou hmotnosťou nižšou než 1000 Da), ktoré môžu byť slabo alebo pevne naviazané na enzým a priamo sa účastniť enzýmovej reakcie. Organické molekuly pevne viazané na enzým, ktoré je zložité oddeliť bez denaturácie enzýmu, sa nazývajú prostetické skupiny. Je dôležité upozorniť, že neexistuje presná hranica medzi slabo a pevne viazanými kofaktormi. Mnohé z nich, napríklad NAD+, môžu byť viazané slabo v jednom enzýme a pevne v iných. Ďalším príkladom je tiamínpyrofosfát (TPP), ktorý je pevne viazaný v transketoláze alebo pyruvátdekarboxyláze, ale slabo viazaný v pyruvátdehydrogenáze. Iné koenzýmy, napríklad flavínadeníndinukleotid (FAD), biotín a lipoamid, sú pevne viazané. Pevne viazané kofaktory sú zvyčajne regenerované počas jedného reakčného cyklu, zatiaľ čo slabo viazané kofaktory sú regenerované v ďalšej reakcii katalyzovanej iným enzýmom. V tomto druhom prípade je možné kofaktory pokladať za substrát alebo kosubstrát.
Vitamíny fungujú ako prekurzory mnohých organických kofaktorov (napríklad vitamíny B1, B2, B6, B12, niacín, kyselina listová) alebo fungujú priamo ako koenzýmy (napríklad vitamín C). Vitamíny však majú v tele aj iné funkcie. Mnohé organické kofaktory obsahujú aj nukleotidy, napríklad koenzým A, ktorý prenáša acylovú skupinu, alebo prenášače elektrónov NAD a FAD. Väčšina týchto kofaktorov sa nachádza vo veľkom počte živočíšnych druhov a niektoré sú univerzálne vo všetkých formách života. Výnimkou tejto širokej distribúcie je skupina unikátnych kofaktorov, ktorá sa vyvinula v metanogénoch, ktoré sú prítomné len v tejto skupine archeónov.
Kofaktory ako metabolické intermediáty.
Metabolizmus sa skladá z veľkého množstva chemických reakcií, ale väčšina z nich pozostáva z niekoľkých základných typov reakcií, ktoré pozostávajú z prenosu funkčných skupín. Tento spoločný chemický základ umožňuje bunkám používať malú sadu metabolických intermediátov na prenos chemických skupín medzi rôznymi reakciami. Tieto intermediáty, ktoré prenášajú skupiny, sú slabo viazané organické kofaktory, teda koenzýmy.
Každá skupina reakcií prenášajúcich skupinu prebieha pomocou konkrétneho kofaktoru, ktorý je substrátom skupiny enzýmov, ktoré ho produkujú, a skupiny enzýmov, ktoré ho spotrebovávajú. Príkladom takého kofaktoru je nikotínamidadeníndinukleotid, ktorý je používaný dehydrogenázami. V tomto prípade existujú stovky druhov enzýmov, ktoré štiepia elektróny zo svojho substrátu a redukujú tak NAD+ na NADH. Tento redukovaný kofaktor je potom substrátom pre reduktázy, ktoré potrebujú elektróny na redukciu svojich substrátov.
Tieto kofaktory sú teda v metabolizme opakovane recyklované. Príkladom je i ATP, ktorého celkové množstvo v tele je asi 0,1 molu. ATP sa konštantne rozkladá na ADP a potom sa konvertuje naspäť na ATP. V každom momente je teda množstvo ATP + ADP približne rovnaké. Energia používaná ľudskými bunkami vyžaduje hydrolýzu 100 až 150 molov ATP denne, čo je približne 50 až 75 kg. V typických situáciách ľudia využívajú v priebehu dňa množstvo ATP odpovedajúce ich telesnej hmotnosti. To znamená, že každá molekula ATP je denne recyklovaná 1000 až 1500 krát.
Evolúcia.
Organické kofaktory, ako napríklad ATP alebo NADH, sú prítomné vo všetkých znýmych formách života a tvoria ústrednú časť metabolizmu. Toto zachovanie kofaktorov naznačuje, že tieto molekuly sa vyvinuli veľmi skoro pri vývoji živých organizmov. To znamená, že aspoň niektoré z aktuálne používaných kofaktorov boli pravdepodobne prítomné i v poslednom spoločnom predkovi, ktorý žil asi 4 miliardy rokov dozadu.
Organické kofaktory mohli byť prítomné v ešte skorších etapách histórie života na Zemi. Nukleotid adenozín je prítomný v kofaktoroch, ktoré katalyzujú mnohé základné metabolické reakcie, ako sú prenos metylovej, acylovej a fosforylovej skupiny alebo redoxné reakcie. Tento všade prítomný motív bol teda označený sa pozostatok RNA sveta, kde sa rané ribozýmy vyvinuli tak, že viazali konkrétne sady nukleotidov a príbuzných zlúčenín. Predpokladá sa, že kofaktory založené na adenozíne pôsobili ako zameniteľné adaptory, ktoré umožnili enzýmom a ribozýmom viazať nové kofaktory pomocou malých modifikácií v existujúcich doménach viažucich adenozín, ktoré sa pôvodne vyvinuli na väzbu s iným kofaktorom. Tento proces adaptácie predvyvinutej štruktúry na nové použitie sa nazýva exaptácia.
Výpočtová metóda, IPRO, prednedávnom určila mutácie, ktoré experimentálne zmenili kofaktorovú špecificitu xylózareduktázy z "Candida boidinii" z NADPH na NADH.
História.
Prvý objavený organický kofaktor bol NAD+, ktorý bol identifikovaný Arthurom Hardenom a Williamom Youngom v roku 1906. Všimli si, že pridaním prevareného a filtrovaného extraktu z kvasiniek urýchlili alkoholovú fermentáciu v neprevarenom kvasinkovom extrakte. Neidentifikovaný faktor zodpovedný za tento efekt nazvali „koferment“. Po dlhom a náročnom procese purifikácie kvasinkového extraktu identifikoval Hans von Euler-Chelpin tento faktor, ktorý bol stabilný i pri vysokých teplotách, ako nukleotidfosfát. Ďalšie kofaktory boli identifikované na začiatku 20. storočia: ATP bolo izolované v roku 1929 Karlom Lohmannom a v roku 1945 Fritz Albert Lipmann objavil koenzým A.
Funkcia týchto molekúl bola zo začiatku záhadná, ale v roku 1936 identifikoval Otto Heinrich Warburg úlohu NAD+ prenose hydridu. Tento objav bol nasledovaný prácou Hermana Kalckara na začiatku 40. rokov, ktorý spojil oxidáciu cukrov s tvorbou ATP. To potvrdilo centrálnu úlohu ATP v prenose energie, ktorú navrhol Lipmann v roku 1941. Neskôr, v roku 1949, Morris Friedkin a Albert L. Lehninger dokázali, že NAD+ spája metabolické dráhy ako sú citrátový cyklus a syntézu ATP.
Kofaktory odvodené od proteínov.
V mnohých enzýmoch je skupina, ktorá pôsobí ako kofaktor, tvorená posttranslačnými úpravami časti proteínovej sekvencie. Tieto úpravy často nahradzujú potrebu externého faktoru, ako je ión kovu, na funkciu proteínov. Potenciálnemodifikácie môžu byť oxidácia aromatických reziduí, väzby medzi reziduami, štiepenie alebo tvorba kruhu. Tieto zmeny sa líšia od iných posttranslačných modifikácií, ako napríklad fosforylácie, metylácie či glykozylácie, v tom, že tieto aminokyseliny zvyčajne nadobudnú nové funkcie. Tým sa zvyšuje funkcionalita proteínu, pretože nemodifikované aminokyseliny sú zvyčajne limitované na acidobázické reakcie a úpravy týchto reziduí môžu dodať proteínu elektrofilné miesta či stabilizovať voľné radikály. Príkladom tvorby takého kofaktoru je tryptofántryptofylchinón (TTQ), ktorý vzniká z dvoch bočných reťazcov tryptofánu alebo 4-metylidén-imidazol-5-ón (MIO), ktorý vzniká z Ala-Ser-Gly motívu. Charakterizácia kofaktorov odvodených od proteínov využíva röntgenovú kryštalografiu a hmotnostnú spektroskopiu. Na určenie sú nutné štruktúrne údaje, pretože sekvenovanie nemusí ľahko identifikovať pozmenené reziduá.
Neenzýmové kofaktory.
Tento pojem sa používa v iných oblastiach biológie a v širšom zmysle označuje nebielkovinové (alebo i bielkovinové) molekuly, ktoré buď aktivujú, inhibujú alebosú potrebné pre funkciu proteínov. Ligandy, ako napríklad hormóny, ktoré sa viažu na a aktivujú receptorové proteíny, sa nazývajú kofaktory alebo koaktivátory. Molekuly, ktoré receptorové proteíny inhibujú, sa nazývajú korepresory. Jedným z príkladov je rodina receptorov spojených s G-proteínmi, ktoré sa často nachádzajú v senzorových neurónoch. Ligandy sa viažu na receptory, čím sa aktivujú G-proteín, ktorý potom aktivuje enzým na aktiváciu efektoru. Aby sa predišlo zmätku, pre tento typ proteínov, ktoré sú aktivované alebo reprimované väzbou ligandu, bol navrhnutý názov koregulátory.