Кофактор (биохемија)

Кофакторот е небелковинско хемиско соединение или метален јон кое е потребно за активноста на ензимот како катализатор, односно супстанца која ја зголемува брзината на хемиската реакција. Кофакторите може да се сметаат за „помошни молекули“, кои помагаат при биохемиските трансформации. Брзината на хемиската трансформација ја проучува научна област наречена ензимска кинетика. Кофакторите обично се разликуваат од лигандите по тоа што тие често ја остваруваат својата функција во врзана состојба.
Кофакторите може да се поделат во две поголеми категории: неоргански јони или комплексни органски молекули, наречени коензими. Коензимите главно потекнуваат од витамините или други органски неопходни хранливи материи во мали количини. (Некои научници ја ограничуваат употребата на терминот „кофактор“ само на неорганските супстанци; во овој текст се опфатени и неорганските и органските кофактори.)
Коензимите понатаму се поделени на два типа. Првиот тип се нарекува „простетична група“, и главната одлика на овој тип на коензими е што се цврсто или ковалентно врзани за белковината. Вториот тип на коензими се нарекуваат „косупстрати“ и тие привремено се врзани за белковината. Косупстратите може да бидат ослободени од белковината во одреден момент, а потоа повторно да се врзат. И простетичните групи и косупстратите имаат иста функција, а тоа е олеснување на реакцијата на ензимите и белковините. Неактивен ензим без кофактор се нарекува апоензим, додека целосниот ензим со кофактор е наречен холоензим. (Забележете дека Меѓународниот сојуз за чиста и применета хемија (IUPAC) го дефинира „коензимот“ малку поразлично, имено како не-белковинско соединение со мала молекуларна тежина, кое е лабаво врзано, а учествува во ензимските реакции како дисоцијабилен носач на хемиски групи или електрони; простетичната група е дефинирана како цврсто врзана, неполипептидна единица во белковина која се регенерира во секој ензиматски циклус.)
Некои ензими или ензимски комплекси користат неколку кофактори. На пример, мултиензимскиот комплекс пируват дехидрогеназа, кој ги спојува процесите на гликолиза и циклусот на лимонска киселина, користи пет органски кофактори и еден метален јон: лабаво врзан тиамин пирофосфат (TPP), ковалентно врзан липоамид и флавин аденин динуклеотид (FAD), косупстрати никотинамид аденин динуклеотид (NAD<sup>+</sup>) и коензим А (CoA), и магнезиумов јон (Mg<sup>2+</sup>).
Органските кофактори често се витамини или деривати на витамини. Многу кофактори го содржат нуклеотидот аденозин монофосфат (AMP) како дел од нивните структури, како што се ATP, коензим А, FAD и NAD<sup>+</sup>. Оваа заедничка структура може да рефлектира заедничко еволутивно потекло како дел од рибозими во древен свет на РНК. Се претпоставува дека AMP-делот од молекулата на коензимот може да се смета за еден вид на „рачка“ со која ензимот го „фаќа“ коензимот за да го префрли помеѓу различните каталитички центри.
1 Класификација
Кофакторите можат да се поделат на две главни групи: органски кофактори, како што се флавинот или хемот; и неоргански кофактори, како што се металните јони Mg<sup>2+</sup>, Cu<sup>+</sup>, Mn<sup>2+</sup> и железно-сулфурните кластери.
Органските кофактори понекогаш се поделени на ''коензими'' и ''простетични групи''. Терминот коензим се однесува конкретно на ензимите и, како таков, на функционалните својства на белковината. Од друга страна, „простетичната група“ ја нагласува природата на врзувањето на кофакторот за белковината (јака или ковалентна) и, на тој начин, се однесува на структурна особина. Различни извори даваат малку различни дефиниции за коензими, кофактори и простетични групи. Некои ги сметаат цврсто врзаните органски молекули како простетични групи, а не како коензими, додека други ги дефинираат сите небелковински органски молекули потребни за активност на ензимите како коензими, а ги класифицираат оние кои се цврсто врзани како коензимски простетични групи. Овие поими често лабаво се користат.
Статија објавена во 1980 година во „''Трендови во биохемиските науки“ (англ. Trends in Biochemistry Sciences)'' ја обработува темата на произволното разграничување помеѓу термините „простетична група“ и „коензим“, кое создава конфузија во литературата. Во оваа статија, кофакторот е дефиниран како дополнителна супстанца, која се разликува од белковината и супстратот, и која е потребна за одвивање на нормалната ензимска активност; додека простетичната група е дефинирана како супстанца која во текот на целиот каталитички циклус е врзана за само една молекула на ензим. Сепак, авторот на оваа статија не можел да дојде до единствена сеопфатна дефиниција за терминот „коензим“ и предложил овој термин да се испушти од употреба во литературата.
2 Неоргански кофактори
2.1 Метални јони
Металните јони се чести кофактори. Науката за овие кофактори е во рамките на областа на бионеорганска хемија. Во исхраната, овие метални јони се познати под името олигоелементи. Кај човекот најчестите метални јони кои имаат улога на кофактори се: железото, магнезиумот, манганот, кобалтот, бакарот, цинкот и молибденот. Иако недостатокот на хром во исхраната предизвикува нарушена толеранција на гликоза, досега не е идентификуван ензим кај човекот што го користи овој метал како кофактор. Јодот (неметал) е исто така важен олигоелемент кој влегува во состав на структурата на тироидните хормони, а не игра улога на ензимски кофактор. Калциумот е уште еден посебен случај, со тоа што тој е неопходна компонента на човечката исхрана, а истовремено е потребен за нормалната активност на многу ензими, како што се синтаза на азотен оксид, белковински фосфатази и аденилат киназа, но калциумот ги активира овие ензими со алостерична регулација, честопати врзувајќи се за овие ензими во комплекс со калмодулинот. Од овие причини, калциумот игра улога на сигнална молекула во клетките и обично не се смета за кофактор на ензимите кои ги регулира.
Други организми бараат дополнителни метали како ензимски кофактори, како што е ванадиумот во нитрогеназата на азотофиксирачките бактерии од родот ''Azotobacter'', волфрамот во алдехид фередоксин оксидордуктаза на термофилната археја ''Pyrococcus furiosus'', па дури и кадмиумот во карбонатната дехидратаза од морската силикатна алга ''Thalassiosira weissflogii''.
Во многу случаи, кофакторот вклучува и неорганска и органска компонента. Пример се белковините кои врзуваат хем, кој се состои од порфирински прстен во кој е координирано железото.
Јон, Примери на ензими кои го содржат овој јон
Бакар, Цитохром оксидаза
Железо, Каталаза Цитохром (преку хем) Нитрогеназа Хидрогеназа
Магнезиум, Гликоза 6-фосфатаза
Манган, Аргиназа
Молибден, Нитрат редуктаза Нитрогеназа
Никел, Уреаза
Цинк, Алкохол дехидрогеназа Карбонатна дехидратаза ДНК-полимераза
2.2 Железно-сулфурни кластери
Железно-сулфурните кластери се комплекси на атоми на железо и сулфур, кои се врзани за цистеинилните остатоци во склоп на белковините. Тие играат и структурни и функционални улоги, вклучувајќи трансфер на електрони и како структурни модули.
3 Органски
Органските кофактори се мали органски молекули (со молекуларна маса помала од 1000 Da) кои можат да бидат лабаво или цврсто врзани за ензимот и директно да учествуваат во ензимската реакција. Во вториот случај, кога тие тешко се отстрануваат без да се денатурира ензимот, најчесто се нарекуваат простетични групи. Важно е да се нагласи дека не постои остра поделба помеѓу лабаво и цврсто врзаните кофактори. Многу кофактори, како што е NAD<sup>+</sup>, можат цврсто да бидат врзани за некои ензими, а од друга страна, лабаво да бидат врзани за други ензими. Друг пример е тиамин пирофосфатот (TPP), кој е цврсто врзан во ензимите транскетолаза и пируват декарбоксилаза, додека помалку цврсто е врзан во ензимот пируват дехидрогеназа. Други коензими, како што се флавин аденин динуклеотидот (FAD), биотинот и липоамидот, се цврсто врзани за нивните ензими. Цврсто врзаните кофактори генерално се регенерирани за време на истиот циклус на реакцијата, додека лабаво врзаните кофактори можат да се регенерираат во последователна реакција, катализирана од различен ензим. Во вториот случај, кофакторот, исто така, може да се смета за супстрат или косупстрат.
Витамините можат да послужат како претходници на многу органски кофактори (на пр., витамините Б<sub>1</sub>, Б<sub>2</sub>, Б<sub>6</sub>, Б<sub>12</sub>, ниацин и фолна киселина), или пак самите можат да бидат коензими (како на пр., витаминот Ц). Сепак, витамините имаат и други функции во организмот. Многу органски кофактори, исто така, содржат и нуклеотид, како што се носачите на електрони NAD и FAD, и носачот на ацилни групи - коензим А. Повеќето од овие кофактори се наоѓаат во голем број на видови на организми, а некои се универзални за сите форми на живот. Исклучок се група на уникатни кофактори кои еволуирале само во метаногените археи.
3.1 Витамини и деривати
Кофактор, Витамин, Дополнителна компонента, Трансферирана хемиска група(и), Дистрибуција
Тиамин пирофосфат, Тиамин (Б<sub>1</sub>), пирофосфат, група од два јаглеродни атоми, Бактерии, археи и еукариоти
NAD<sup>+</sup> и NADP<sup>+</sup>, Ниацин (Б<sub>3</sub>), ADP, Електрони, Бактерии, археи и еукариоти
Пиридоксал фосфат, Пиридоксин (Б<sub>6</sub>), Нема, Амино и карбоксилни групи, Бактерии, археи и еукариоти
Метилкобаламин, Витамин Б<sub>12</sub>, Метил група, Ацилни групи, Бактерии, археи и еукариоти
Кобаламин, Кобаламин (Б<sub>12</sub>), Нема, Водород, алкилни групи, Бактерии, археи и еукариоти
Биотин, Биотин (Н), Нема, CO<sub>2</sub>, Бактерии, археи и еукариоти
Коензим А, Пантотенска киселина (Б<sub>5</sub>), ADP, Ацетилна група и други ацилни групи, Бактерии, археи и еукариоти
Тетрахидрофолна киселина, Фолна киселина (Б<sub>9</sub>), Глутаматни остатоци, Метилни, формилни, метиленски и формиминогрупи, Бактерии, археи и еукариоти
Менахинон, Витамин К, Нема, Карбонилна група и електрони, Бактерии, археи и еукариоти
Аскорбинска киселина, Витамин Ц, Нема, Електрони, Бактерии, археи и еукариоти
Флавин мононуклеотид , Рибофлавин (Б<sub>2</sub>), Нема, Електрони, Бактерии, археи и еукариоти
Флавин аденин динуклеотид, Рибофлавин (Б<sub>2</sub>), ADP, Електрони, Бактерии, археи и еукариоти
Коензим F420 , Рибофлавин (Б<sub>2</sub>), Аминокиселини, Електрони, Метаногени и некои бактерии
3.2 Невитамински кофактори
Кофактор, Трансферирана хемиска група(и), Дистрибуција
Аденозин трифосфат , Фосфатна група, Бактерии, археи и еукариоти
S-аденозил метионин , Метилна група, Бактерии, археи и еукариоти
Коензим Б , Електрони, Метаногени
Коензим М , Метилна група, Метаногени
Коензим Q , Електрони, Бактерии, археи и еукариоти
Цитидин трифосфат , Диацилглицероли и липидни групи, Бактерии, археи и еукариоти
Глутатион , Електрони, Некои бактерии и повеќето еукариоти
Хем , Електрони, Бактерии, археи и еукариоти
Липоамид, Електрони, ацилни групи, Бактерии, археи и еукариоти
Метанофуран , Формилна група, Метаногени
Молибдоптерин , Атоми на кислород, Бактерии, археи и еукариоти
Нуклеотидни шеќери , Моносахариди, Бактерии, археи и еукариоти
3'-Фосфоаденозин-5'-фосфосулфат, Сулфатна група, Бактерии, археи и еукариоти
Пиролохинолин хинон , Електрони, Бактерии
Тетрахидробиоптерин , Кислородни атоми и електрони, Бактерии, археи и еукариоти
Тетрахидрометаноптерин, Метилна група, Метаногени
3.3 Кофакторите како метаболни посредници
Метаболизмот вклучува огромна низа на хемиски реакции, но повеќето спаѓаат во неколку основни типови реакции кои вклучуваат трансфер на функционални групи. Оваа вообичаена хемија им овозможува на клетките да користат мал пакет на метаболни посредници за пренос на хемиски групи помеѓу различни хемиски реакции. Овие посредници за пренесување на функционални групи се лабаво врзани органски кофактори, кои честопати се нарекуваат ''коензими''.
Секоја класа на реакции за пренос (трансфер) на функционални групи ја спроведува одреден кофактор, кој е супстрат за одреден број на ензими кои го создаваат и одреден број на ензими кои го користат. Пример за ова се дехидрогеназите кои користат никотинамид аденин динуклеотид (NAD<sup>+</sup>) како кофактор. Во овој случај, стотици различни типови на ензими ги отстрануваат електроните од нивните супстрати и го редуцираат NAD<sup>+</sup> во NADH. Овој редуциран кофактор тогаш станува супстрат за која било од редуктазите во клетката, на кои им се потребни електрони за редукција на нивните супстрати.
Од овие причини, кофактори континуирано се рециклираат како дел од метаболизмот. Како пример, вкупната количина на ATP во човечкото тело е околу 0,1 мола. Овој кофактор постојано се распаѓа на ADP и неоргански фосфат, а потоа повторно се претвора во ATP. Затоа, во секое дадено време, вкупниот износ на ATP + ADP во телото останува прилично константен. Енергијата кои ја користат човечките клетки бара хидролиза на 100 -150 мола на ATP дневно, што е околу 50-75 килограми. Нормално, човекот согорува маса на ATP дневно која е приближно еднаква на неговата телесна тежина. Ова значи дека секоја молекула на ATP се рециклира околу 1000-1500 пати во текот на еден ден.
3.4 Еволуција
Органските кофактори, како што се ATP и NAD, се присутни во сите познати форми на живот и претставуваат основен дел од метаболизмот. Ваквата универзална сочуваност во живиот свет покажува дека овие молекули потекнуваат од раните стадиуми на потеклото на живата материја на Земјата. Според тоа, барем некои од сегашните кофактори во живите организми можеби биле присутни во последниот универзален предок на сите живи организми на планетата, кој живеел пред околу 4 милијарди години.
4 Поврзано
* Ензимска катализа
* Неорганска хемија
* Органометална хемија
* Биоорганометална хемија