Cofattore (biologia)

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.

In enzimologia con il termine cofattore si intende una piccola molecola di natura non proteica che si associa all'enzima e ne rende possibile l'attività catalitica tipica dell'enzima stesso. La maggior parte degli enzimi che richiedono il legame a cofattori, infatti, perdono ogni funzionalità in caso di assenza del cofattore stesso.

I cofattori, non essendo proteici, spesso devono essere assunti con la dieta, perché non possono essere prodotti dalla cellula. Per questo motivo, storicamente, spesso ci si è riferiti ai cofattori come a vitamine, cioè elementi necessari per il metabolismo da assumere attraverso l'alimentazione. Esistono, in ogni caso, numerosi cofattori non-vitaminici, come ad esempio i gruppi eme (contenuti in proteine come l'emoglobina) e diversi ioni metallici.

Un enzima privo del cofattore che ne rende possibile l'attività enzimatica è detto apoenzima. Il legame tra cofattore ed apoenzima permette la formazione del cosiddetto oloenzima (detto anche oloproteina):

apoenzima + cofattore → oloenzima.

Indice 1 Classificazione 1.1 In base alla natura chimica 1.2 In base all'interazione con l'enzima 1.2.1 Cosubstrati 1.2.2 Gruppi prostetici 1.3 Classificazione alternativa 2 Caratteristiche 3 Esempi 4 Cofattori utilizzati in natura 5 Bibliografia

[modifica] Classificazione

Le reazioni a cui partecipano i cofattori consistono solitamente nel trasferimento di qualche specie chimica (come un elettrone, un protone, un gruppo fosfato). Il cofattore è spesso utilizzato come accettore temporaneo di questi gruppi. Spesso ci si riferisce ad un cofattore anche con termini come coenzima, cosubstrato o gruppo prostetico. Questi termini, tuttavia, non sono equivalenti. Il concetto di cofattore, infatti, comprende tutti e tre queste tipologie di molecole^[1].

[modifica] In base alla natura chimica

Sulla base della loro natura chimica, i cofattori sono suddivisi in metalli e coenzimi (intesi come piccole molecole organiche).

[modifica] In base all'interazione con l'enzima

I coenzimi, come anche alcuni cofattori metallici, possono legarsi all'enzima in modo covalente o attraverso legami deboli. Se legati in modo stabile, essi sono chiamati gruppi prostetici. Se legati in maniera debole, si parla di cosubstrati, dal momento che in questo caso essi si legano all'enzima solo in occasione della catalisi della reazione, proprio come avviene per un substrato.

[modifica] Cosubstrati

I cofattori comunemente chiamati cosubstrati sono in grado di associarsi e dissociarsi agevolmente dall'enzima. Il cofattore si trova associato all'enzima solo se esso sta catalizzando una reazione, altrimenti ne è dissociato.

I principali cosubstrati sono:

• l'ATP (coinvolto in reazioni di fosforilazione);
• l'ADP (accettore di gruppi fosfato);
• il NAD⁺ ed il NADP⁺ (accettori di elettroni e protoni, in reazioni di ossidazione);
• il NADH/H⁺ ed il NADPH/H⁺ (donatori di elettroni e protoni, in reazioni di riduzione);
• il piridossalfosfato (PALP) (cofattore delle amminotransferasi).

[modifica] Gruppi prostetici

I cofattori a cui ci si riferisce comunemente con il termine di gruppo prostetico sono molecole strettamente legate all'enzima (attraverso un legame covalente), da cui non si distaccano né durante il corso della reazione, né ad enzima inattivo.

I principali gruppi prostetici sono:

• il gruppo eme dell'emoglobina;
• la biotina nelle carbossilasi;
• il FAD.

[modifica] Classificazione alternativa

Talvolta i cofattori vengono classificati in base al tipo di reazione che sono in grado di catalizzare. Si distinguono dunque cofattori di ossidoriduzione e di trasferimento di gruppi.

Tra i cofattori di ossidoriduzione figurano:

• Nicotinammideadenindinucleotide (NAD⁺/NADH,H⁺);
• Nicotinamidadenindinucleotidefosfato (NADP⁺/NADPH,H⁺);
• Flavina mononucleotide (FMN/FMNH₂);
• Flavin adenina dinucleotide (FAD/FADH₂);
• Coenzima Q (CoQ/CoQH₂);
• I citocromi (Cyt[Fe²⁺]/Cyt[Fe³⁺]).

Tra i cofattori di trasferimento di gruppi figurano:

• Adenosintrifosfato (ATP/ADP/AMP);
• Citosintrifosfato (CTP/CDP/CMP);
• Guanosintrifosfato (GTP/GDP/GMP);
• Timidintrifosfato (TTP/TDP/TMP);
• Uridintrifosfato (UTP/UDP/UMP);
• Coenzima A (CoA-SH);
• Tiamina pirofosfato (TPP);
• Acido lipoico o lipoato;
• Piridossalfosfato (PALP);
• Biotina.

[modifica] Caratteristiche

Nell'uomo ed in molti organismi superiori, i cofattori debbono spesso essere introdotti con l'alimentazione (come avviene per molte vitamine), mentre tra i procarioti esistono delle vie metaboliche, spesso molto complesse, che permettono alla cellula di sintetizzare tutti i cofattori necessari alla loro sopravvivenza a partire da una fonte di carbonio (prevalentemente glucidi).

Esistono una ventina di cofattori a fronte di più di duemila enzimi: la specificità della reazione dipende unicamente dall'apoenzima e non dal cofattore. Al contrario dei substrati, che sono trasformati durante la reazione enzimatica, i cofattori finiscono sempre per tornare al loro stato iniziale. Eccezioni sono i cofattori impiegati nella catalisi delle reazioni di ossidoriduzione; una molecola che funziona cedendo elettroni al substrato deve poi riacquistarli, in una reazione a parte, per essere nuovamente funzionale. Il NAD⁺ dopo aver coadiuvato l'enzima nell'ossidazione del substrato (trasformandosi in NADH) deve essere riportato nella forma iniziale, cedendo gli elettroni acquisiti, ad esempio, alla catena di trasporto degli elettroni.

Nella loro struttura chimica i cofattori sono, in massima parte, ricchi di elettroni π (per uno o più nuclei ciclici), che conferiscono le loro proprietà catalitiche. Reagiscono stechiometricamente (mole a mole) alla reazione enzimatica.

[modifica] Esempi

Molti coenzimi sono coinvolti nel trasporto di gruppi chimici. Ad esempio, il NAD⁺ è un carrier di elettroni in reazioni di ossidoriduzione. NAD⁺ è in grado di accettare un protone (H⁺) e due elettroni (e^-) da un substrato, a formare il NADH. NADH è in grado di donare questi elettroni ad un secondo subsrtato, rigenerandosi a NAD⁺. Dunque, NAD⁺ è in grado di trasferire elettroni dal primo substrato (che diventa ossidato) al secondo (che diventa ridotto).

Il piridossalfosfato (PALP) è un coenzima utilizzato dalle amminotransferasi e dalle carbossilasi. La catalisi avviene in due passaggi: nel primo viene catalizzata, ad esempio, la deaminazione degli amminoacidi ad alfa-chetoacidi. Nel secondo passaggio il gruppo amminico estratto viene trasferito ad un altro alfa-chetoacido (il cosiddetto meccanismo ping-pong-bi-bi, secondo Wallace W. Cleland), che diventa così un amminoacido. Il piridossalfosfato viene rigenerato in questo caso sullo stesso enzima, anche in questo caso in due passaggi. Considerazioni analoghe valgono anche per la reazione di decarbossilazione, che prevede l'idrolisi dell'intermedio legato all'enzima.

Un altro esempio è il coenzima A (CoA), che, in forma libera o acetilata prende parte a diversi passaggi del ciclo dell'acido citrico e al metabolismo degli acidi grassi. Allo stesso modo, nel ciclo dell'acido citrico, ma anche nella glicolisi, hanno un ruolo i coenzimi flavina adenina dinucleotide (FAD) e nicotinammideadenindinucleotide (NAD), prima di tutto come accettori di elettroni e poi come accettori di protoni o donatori di protoni. Altri coenzimi, come l'adenosintrifosfato (ATP), trasportano interi gruppi, per esempio residui fosfato.

Il coenzima Q (nella sua forma Q10) o ubichinone è stato reso popolare dalle sue proprietà rassodanti per la pelle, secondo quanto riferito nelle pubblicità dei produttori di cosmetici. L'ubichinone è un trasportatore di elettroni che lavora nella catena di respirazione cellulare operando su diversi complessi proteici.

[modifica] Cofattori utilizzati in natura

La lista completa dei cofattori, stilata dalla Enzyme Commission della International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB^[2]), è la seguente^{[citazione necessaria]}:

• 6-idrossi-DOPA
• NH₄⁺
• Acido ascorbico (vitamina C)
• Adenosintrifosfato (ATP)
• Cadmio (Cd)
• Calcio (Ca)
• Cobalamina (vitamina B₁₂)
• Coenzima A (CoA)
• Cobalto (Co)
• Dipirrometano
• Ditiotreitolo
• Cationi divalenti
• Cationi monovalenti
• Ferro (Fe)
• Cluster ferro-zolfo (Fe-S)
• F420
• Flavinadenindinucleotide (FAD)
• Gruppi Fe-Mo
• Flavina
• Flavoproteina
• FMN
• Glutatione (GSH)
• Eme
• Eme-tiolato
• Potassio (K)
• Rame (Cu)
• Acido lipoico
• Magnesio (Mg)
• Manganese (Mn)
• Molibdeno (Mo)
• NADH e NADPH
• Sodio (Na)
• Nickel (Ni)
• Nicotinamidadenindinucleotide (NAD)
• PQQ
• Protoporfirina IX
• Pterina
• Piridossalfosfato (PLP)
• Piruvato
• Flavina ridotta
• Selenio (Se)
• Tetraidropteridina
• Tiamina pirofosfato
• Triptofan Triptofilochinone (TTQ)
• Vanadio (V)
• Tungsteno (W)
• Zinco (Zn)

[modifica] Bibliografia

1. ^ (EN) Definizione di cofattore secondo Berg, Biochemistry, W.H. Freeman &Co
2. ^ (EN) Sito della IUBMB