Coenzimi: i cofattori coinvolti nelle reazioni metaboliche (1° parte)

di Sergio Barocci

struttura tridimensionale dell'emoglobina: in rosso il gruppo prostetico eme

struttura tridimensionale dell’emoglobina: in rosso il gruppo prostetico eme

Gli enzimi, i catalizzatori biologici della materia vivente, sono delle molecole proteiche grazie alle quali le reazioni chimiche avvengono ad una velocità tale da consentire la vita, cioè, essi rappresentano dei semafori che regolano il traffico di metaboliti lungo le vie metaboliche, la cui attività può rispondere alle diverse esigenze metaboliche.  Molte volte l’azione degli enzimi deve essere coadiuvata o integrata da quelle di altre molecole complesse o cofattori.
In enzimologia con il termine di cofattore si intende una piccola molecola di natura non proteica o anche uno ione metallico che ha il compito di associarsi all’enzima e di renderne possibile l’attività catalitica.  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 siamo 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.
Sulla base della loro natura chimica, i cofattori vengono quindi suddivisi in metalli e coenzimi (intesi come piccole molecole organiche).   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).
In base all’interazione con l’enzima , i coenzimi, come anche alcuni cofattori metallici, possono legarsi all’enzima tramite legami covalenti oppure attraverso legami deboli.
Se legati in modo stabile, essi vengono chiamati gruppi prostetici se invece 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.

struttura ATP (a sinistra) ed ADP (a destra)

Fig. 1 – Struttura ATP (a sinistra) ed ADP (a destra)

Pertanto, i coenzimi partecipano alla reazione enzimatica e dopo la reazione vengono riconvertiti nella forma originale.

I principali cosubstrati sono:
1.  l’ATP o adenosina trifosfato (coinvolto in reazioni di fosforilazione) (Fig.1);
2.  l’ADP o adenosina difosfato (accettore di gruppi fosfato) (Fig.1);
3.  il NAD+ ed il NADP+ (accettori di elettroni e protoni, in reazioni di ossidazione) (Fig.2);
4.  il NADH/H+ ed il NADPH/H+ (donatori di elettroni e protoni, in reazioni di riduzione);
5.  il piridossalfosfato (PALP) (cofattore delle amminotransferasi);
6.  Coenzima A (trasportatore di gruppi acilici) (Fig.4);
7.  Coenzima Q (partecipa alle reazioni Redox)

Struttura del  NAD + o Nicotinamide adenina dinucleotide e del  NADP +  o  Nicotinamide adenina dinucleotide fosfato

Fig. 2 – Struttura del NAD+ o Nicotinamide adenina dinucleotide e del NADP+ o Nicotinamide adenina dinucleotide fosfato

Tutte queste molecole sono costituite per lo più da un nucleotide da solo oppure associato a vitamine o a parti di queste ed il loro intervento è essenziale nelle reazioni che comportano variazioni energetiche.  I nucleotidi sono composti ricchi di energia; rappresentano dei segnali chimici di risposta a stimoli extracellulari e sono inoltre anche componenti degli acidi nucleici.
Il nucleotide (Fig.3 ) è una molecola in cui si possono riconoscere tre porzioni: una base azotata, uno zucchero, un gruppo fosforico.   Si differenzia per il tipo di zucchero, D-ribosio o 2′-deossi-D-ribosio e per la base azotata, (purinica o pirimidinica).
I nucleotidi sono in grado di svolgere numerose funzioni cellulari oltre al loro ruolo di subunità costituenti degli acidi nucleici.  Infatti possono essere adoperati dalla cellula come:
a)  trasportatori di energia chimica;
b)  componenti di cofattori enzimatici;
c) messaggeri chimici come AMP Ciclico (cAMP) GMP Ciclico (cGMP) caratterizzati dalla presenza di un legame 3’, 5’ e che si formano a partire da ATP o GTP ad opera di specifici enzimi (adenilato cilasi e guanilato ciclasi)

 

COSUBSTRATI NUCLEOTIDIDI NEL TRASPORTO DELL’ENERGIA CHIMICA

AMP e GMP ciclici come mediatori chimiciI nucleotidi sono composti ricchi di energia :
    Legame ribosio → P legame estereo (14 KJ/mol)
    Legame Pα → Pβ legame anidridico (30 KJ/mol)
    Legame Pβ → Pγ legame anidridico (30 KJ/mol)
Infatti, possono legare gruppi fosforici addizionali legati al gruppo fosforico presente sul carbonio 5′ del ribosio. Si parla così di nucleosidi mono, di e tri-fosfato. I tre gruppi fosforici sono indicati con le lettere α, β e γ. Il gruppo fosforico α è legato al ribosio con un legame estereo.  I legami tra α β e tra β γ sono anidridici . L’idrolisi dei nucleosidi trifosfato rappresenta una importante fonte di energia chimica per la cellula. L’energia rilasciata dall’idrolisi dipende, tuttavia dal legame in cui il gruppo fosforico è coinvolto.  L’idrolisi dei legami anidridici fornisce una quantità di energia maggiore dell’idrolisi del legame estereo.

Formule generali rispettivamente di nucleotide mono-, di- e trifosfato

Fig. 6 – Formule generali rispettivamente di nucleotide mono-, di- e trifosfato

Nella struttura di alcuni coenzimi (Coenzima A, NAD+ e FAD +) è presente un nucleotide adenilico. Il nucleotide adenilico non partecipa alla reazione enzimatica ma:

• aiuta a posizionare il substrato nella tasca del sito attivo,
• stabilizza il complesso enzima/substrato,
• è coinvolto nel legame del coenzima all’enzima.

Con il termine di gruppo prostetico s’intedono invece quelle molecole non proteiche strettamente legate ad una proteina (spesso un enzima), attraverso un legame covalente (coenzimi) o un legame di coordinazione (gruppo eme) , da cui non si distaccano né durante il corso della reazione, né ad enzima inattivo.  I principali gruppi prostetici sono rappresentati da:

1.    il gruppo eme dell’emoglobina (Fig. 8) o meglio dei citocromi (Fig.9) (non essendo l’emoglobina normalmente considerata un enzima) sono cofattori non-vitaminici;
2.   la biotina nelle carbossilasi (Fig.10);
3.   il FAD/FADH e FADH2 (Fig.11)

Struttura tridimensionale citocromo C

Fig. 9 – Struttura tridimensionale citocromo C

I Citocromi ( Fig. 9) come l’emoglobina sono un tipico esempio di proteine aventi come gruppo prostetico il gruppo eme (Fig.8 ) o coenzima il cui atomo di Fe (III) va incontro a riduzioni mono elettroniche reversibli.  Un enzima privo del cofattore che ne rende possibile l’attività enzimatica è detto apoenzima.  Il legame del coenzima alla corrispondente frazione proteica o apoenzima, è condizione indispensabile affinché l’enzima possa svolgere la propria attività catalitica o oloenzima.

 

APOENZIMA(solo proteina, inattiva) + COFATTORE  ==> OLOENZIMA(attivo)

Nella maggior parte dei casi è il coenzima a determinare il carattere della reazione chimica enzimatica, mentre all’apoenzima è dovuta la specificità della reazione stessa.
Le modalità con cui i coenzimi intervengono nei processi enzimatici sono molteplici: essi possono distaccarsi dalla parte proteica ed essere trasferiti al substrato con cui variamente reagiscono, oppure cedere al substrato solo un frammento della propria struttura.
In altri casi l’enzima conserva la sua integrità limitandosi a favorire il trasferimento di gruppi chimici, di ioni o di cariche elettriche da un composto donatore al substrato accettore. Talvolta la classificazione dei coenzimi viene effettuata sulla base di criteri funzionali, cioè con riferimento all’attività degli enzimi corrispondenti.

Formula del FAD ridotto (FADH2)

Fig. 11 – Formula del FAD ridotto (FADH2)

Si hanno così: coenzimi deputati al trasporto di ioni idrogeno (coenzimi flavinici come flavina mononucleotide o FMN/FMNH2 e flavin adenina dinucleotide o FAD/FADH2); oppure al trasporto di elettroni (metallo-porfirine quali i coenzimi delle catalasi, delle perossidasi, i citocromi); coenzimi che permettono il trasferimento al substrato sia di elettroni sia di ioni idrogeno, come per esempio i coenzimi delle deidrogenasi (Fig.12) il nicotinammide adenin dinucleotide o NAD+/NADH,H+ e il nicotinammide adenin dinucleotide fosfato o NADP+/NADPH,H+).
Altri coenzimi intervengono nei processi metabolici di decarbossilazione (tiaminfosfato o TPP , piridossalfosfato o PALP) oppure nel trasferimento di radicali fosforici (ATP), acilici (Coenzima A), solforici (fosfoadenosinfosfosolfato o PAPS), di zuccheri monosaccaridi (UDP), della colina (colina-fosfato), ecc.
Va sottolineato che l’attività biologica di numerose vitamine deriva dalla loro natura di coenzima o di metaboliti precursori di coenzimi.  In altre parole i coenzimi sono vitamine modificate chimicamente.

 

UN ESEMPIO EMBLEMATICO: IL CASO DELL’ADP/ATP

L’ATP o adenosina trifosfato è la moneta corrente per tutte le attività cellulari che producono o consumano energia.  L’ATP viene prodotto nel catabolismo ossidativo e viene speso nelle reazioni biosintetiche o nelle attività cellulari come trasporto di metaboliti e ioni attraverso la membrana, oppure nella contrazione muscolare, nella produzione di calore.
L’ATP rappresenta l’energia “ disponibile ” per tutte le esigenze energetiche della cellula.
L’ATP (Fig.1) è costituita da una molecola di adenina ed una di ribosio a cui sono legati tre gruppi fosforici a β e γ mediante legami ad alta energia.

Vi sono due modi per produrre ATP attraverso le reazioni del catabolismo ossidativo:

a)   Reazioni di fosforilazione a livello del substrato.
In questo tipo di reazioni che sono catalizzate da delle cinasi, un intermedio metabolico fosforilato cede il fosfato all’ADP con formazione di ATP secondo il seguente schema generale:
XP + ADP → X + ATP
Esempio: 1,3 bisfosfoglicerato e fosfoenolpiruvato nella glicolisi; creatina fosfato (“riserva di ATP” nel muscolo).  Il potenziale di trasferimento del fosfato di questi composti fosforilati è maggiore di quello dell’ATP.

mitocondrio e sua struttura interna

mitocondrio e sua struttura interna

b)   Fosforilazione ossidativa.
Nel processo della fosforilazione ossidativa (che avviene nei mitocondri) l’energia “potenziale” dei coenzimi ridotti (NADH e FADH2) è trasformata nell’energia “pronta” dell’ATP attraverso un complesso meccanismo.  I coenzimi ridotti sono stati prodotti in reazioni di ossidazione dei substrati (glucoso, fruttoso, acidi grassi) nelle varie vie metaboliche del catabolismo (glicolisi, ciclo di Krebs, ossidazione degli acidi grassi).

Pertanto il processo di produzione dell’ATP via fosforilazione ossidativa si può dividere in 2 fasi:
Fase 1 : riduzione dei coenzimi nelle reazioni di ossidazione dei substrati metabolici
Xrid + NAD/FAD → Xoss + NADH/FADH2
Fase 2 : ri-ossidazione dei coenzimi ridotti accoppiata alla produzione di ATP nella fosforilazione ossidativa nei mitocondri
NADH/FADH2 + O2 → NAD/FAD + H2O
ADP + Pi → ATP + H2O

La fosforilazione ossidativa è la principale fonte di ATP per la maggior parte delle cellule del nostro organismo ( per maggiori dettagli visionare l’articolo “ Enzimi e Vitamine nel mantenimento dell’equilibrio redox della cellula” di N. Ticchi )

 

I PERSONAGGI CHE HANNO FATTO LA STORIA DELL’ENZIMOLOGIA

Herman Moritz Kalckar

Herman Moritz Kalckar

Herman Moritz Kalckar (1908-1991) è stato un biochimico danese che ha aperto la strada allo studio della respirazione cellulare. Egli diede un significativo contributo allo sviluppo delle biochimica nel XX secolo biochimica specialmente nell’enzimologia. Infatti, evidenziò il ruolo di composti “ad alta energia” nei processi metabolici sviluppando il ruolo centrale dell’ adenosina-5′-trifosfato (ATP) come comune metabolico “vettore energetico”. Fritz Lipmann, pubblicò in uno studio analogo il concetto di “~ P” come mezzo per rappresentare un legame ad “alta energia”.

Fritz Albert Lipmann

Fritz Albert Lipmann

Fritz Albert Lipmann ( 1899 – 1986) biochimico tedesco – statunitense co-scopritore nel 1945 del coenzima A.
Per tale motivo, insieme ad altre ricerche sul coenzima A , venne insignito del Premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina nel 1953 insieme ad Hans Adolf Krebs . Dopo essersi laureato in medicina nel 1924 a Berlino e trascorso un breve periodo a Koenigsberg per studiare chimica presso il professor Hans Meerwein, nel 1926 divenne assistente di Otto Meyerhof nel laboratorio del Kaiser Wilhelm Institute di Berlino e successivamente a Heidelberg sempre con Meyerhof per ulteriori ricerche sulle reazioni biochimiche muscolari. Nel 1930 ritornò al Kaiser Wilhelm Institut di Berlino come assistente di ricerca presso il laboratorio di Albert Fischer, e poi nel 1932 sempre con Fisher nel nuovo Istituto biologico della Fondazione Carlsberg di Copenhagen dove condusse delle indagini sul meccanismo di ossidazione dell’acido piruvico, Tra il 1931 e il 1932, lavorò, inoltre, come fellow presso la Rockefeller Institute di New York, dove identificò una serina fosfato quale componente di fosfoproteine contenenti fosfato.

Otto Fritz Meyerhof

Otto Fritz Meyerhof

Nel 1939 Lipmann divenne ricercatore associato presso il Dipartimento di Biochimica alla Cornell Medical School di New York, e nel 1941 entrò nel personale di ricerca del Massachusetts General Hospital di Boston, prima come ricercatore associato nel Dipartimento di Chirurgia, poi come responsabile nel Laboratorio Biochimico dell’ospedale. Nel 1949 divenne professore di Chimica Biologica presso la Harvard Medical School di Boston e nel 1957 nominato membro e professore della Rockefeller Institute di New York. Durante la fine degli anni ’40 e i primi anni ’50 , si interessò del coenzima A e di altri derivati del fosfato apparentemente inusuali che sorgevano nei processi di attivazione attraverso il trasferimento di P da ATP e in seguito ad alcune osservazioni sulla fosforolisi della citrullina, concentrò la sua attenzione sul CMP , un donatore di P metabolicamente attivo.

Archibald Vivian Hill

Archibald Vivian Hill

Il sospetto si rivelò giustificato , perché in collaborazione con Mary Ellen Jones (1922 – 1996) (alla quale si deve la scoperta carbamoilfosfato , una sostanza chimica che è la chiave per la biosintesi di arginina e di urea e le basi scientifiche per la ricerca sul cancro) e con Leonard Spector, giunse alla scoperta di un metodo inaspettatamente semplice di sintesi chimica di CMP. Con H. Hilz e P.W. Robbins sempre in questo settore individuò l’esistenza di una nuova classe di composti chimici come adenosina-5′-phosphosulphate (APS) e 3′-phosphoadenosine-5′-phosphosulphate (PAT) identificati come solfati «attivi» solfati. Lipmann è stato anche membro di numerose società scientifiche negli Stati Uniti. Morì nel 1986 a New York.

Arthur Harden

Arthur Harden

Otto Fritz Meyerhof (1884 – 1951) biochimico tedesco insignito del Premio Nobel per la Medicina , insieme a Archibald Vivian Hill nel 1922 per il lavoro sul metabolismo muscolare, tra cui la glicolisi.

Archibald Vivian Hill (1886 – 1977) fisiologo inglese. Premio Nobel nel 1922 per la spiegazione della produzione di calore e del lavoro meccanico nel tessuto muscolare.

Arthur Harden  (1865 –  1940  )   biochimico inglese  vincitore del  Premio Nobel per la Chimica nel 1929 insieme a  Hans Karl August Simon Von Euler-Chelpin per le loro indagini sulla fermentazione  degli  zuccheri e sugli  enzimi .

Karl August Folkers

Karl August Folkers

Karl August Folkers (1906-1997) è stato uno dei chimici organici più fantasiosi nel campo della chimica biologica nel secolo scorso. La maggior parte dei suoi contributi più importanti sono state fatte durante il periodo in cui egli ha lavorato presso la Società Merck a Rahway nel New Jersey, a partire dal 1934. Il suo Laboratorio divenne un centro per la purificazione, la determinazione strutturale e la sintesi di un gran numero di fattori, tra cui la vitamina B-6 (piridossina, piridossale e piridossamina), acido pantotenico, biotina, vitamina B-12, acido mevalonico e ubichinone (coenzima Q).

Otto Heinrich Warburg

Otto Heinrich Warburg

Otto Heinrich Warburg (1883 –  1970).  Fisiologo tedesco, premio Nobel per la medicina nel 1931 per le sue fondamentali ricerche nel campo della fisiologia cellulare. Fu uno dei maestri di Hans Adolf Krebs.

Wallace W Cleland

Wallace W Cleland

Wallace W. Cleland (1930 –  2013) pioniere nello studio cinetico e meccanicistico di enzimi che utilizzano più di un substrato. 

 

La sede dell’Enzyme Institute a Madison - Università del Winsconsin

La sede dell’Enzyme Institute a Madison – Università del Winsconsin

Continua dall’articolo dello stesso Autore:
”  Piccole molecole che aiutano gli enzimi: dai coenzimi ossidoriduttivi alle amminotransferasi (2° parte)

 

Una risposta a Coenzimi: i cofattori coinvolti nelle reazioni metaboliche (1° parte)

  • Eleonora scrive:

    Reazione di detossificazione catalizzata dalla CATALASI: 2 H202 —> 2H2O + O2

    E’ una dismutazione, ossia un’ossido riduzione INTERNA. Allora a che serve che il NADPH, cofattore dell’enzima catalasi, doni 2 H+ e 2 elettroni?

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Sostieni la divulgazione della Chimica
Il tuo libero contributo sarà interamente devoluto alle attività di divulgazione della Chimica.
CONDIVIDI QUESTO ARTICOLO
RICHIEDI LA NEWSLETTER
Una mail settimanale con gli aggiornamenti delle pubblicazioni, le attività dell'Associazione e le novità del mondo della divulgazione chimica
SEGUI CHIMICARE ANCHE SU FACEBOOK
segui chimicare anche su facebook
gli ultimi articoli inseriti
IL CARNEVALE DELLA CHIMICA
il più grande evento italiano che ogni mese riunisce decine di blogger attivi nella divulgazione della chimica. Da un'idea di Chimicare e Gravità Zero
ARCHIVI ARTICOLI chimiSPIEGA PER MESE
SEGUI CHIMICARE ANCHE SU TWITTER
Non solo gli aggiornamenti degli articoli pubblicati sui nostri blog e le novità del Carnevale della Chimica, ma anche le segnalazioni dei migliori interventi di divulgazione chimica in lingua italiana nel web.
ABBONATI AI FEED DI CHIMISPIEGA
Vota questo articolo..
http://www.wikio.it