Cofaktor (Biochemie)

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Cofaktor (auch Kofaktor) ist ein Überbegriff für verschiedene Moleküle und Molekülgruppen, die für die Funktion von bestimmten Enzymen unerlässlich sind.[1]

Die Begriffe Coenzym, Koenzym und Cosubstrat werden manchmal synonym verwendet, meist werden sie aber enger definiert. Folgende Arten von Cofaktoren werden unterschieden:

Prosthetische Gruppe

Ein organisches Molekül, das mit hoher Affinität oder kovalent an ein Enzym gebunden ist; die prosthetische Gruppe kann also nicht dissoziieren.
Coenzym
(auch Koenzym oder Cosubstrat)
Ein niedermolekulares organisches Molekül, das nicht-kovalent an ein Enzym bindet und daher nach der Katalyse wieder dissoziiert. Es nimmt während der Reaktion chemische Gruppen, Protonen oder Elektronen auf oder gibt diese ab, wodurch sich seine Reaktivität verändert.[2] Ein Coenzym geht also – wie die prosthetische Gruppe – verändert aus der Reaktion hervor[3] und muss daher neu in den Ursprungszustand überführt werden, jedoch geschieht das meist nicht am Enzym.
Metall-Ionen Metall-Ionen, die an ein Enzym gebunden und für dessen Katalyse erforderlich sind, gehören ebenfalls zu den Cofaktoren. Das entsprechende Enzym wird Metalloenzym genannt.

Bei Cofaktoren handelt es sich immer um Nicht-Protein-Stoffe, Cofaktoren sind nicht aus Aminosäuren aufgebaut. Ebenso werden Verbindungen, die ubiquitär vorhanden sind (insbesondere Wasser), wenngleich sie häufig an Reaktionen beteiligt sind, nicht zu den Cofaktoren (und auch nicht zu den Substraten) gerechnet.

Ein Komplex, bei dem ein Enzym an einen Cofaktor gebunden ist, wird Holoenzym genannt. Das eigentliche Enzym, also der Proteinanteil eines Holoenzyms, heißt Apoenzym.

Prosthetische Gruppe

Funktionsweise eines Enzyms mit prosthetischer Gruppe

Als prosthetische Gruppe (Kunstwort nach altgriechisch προστίθημι ‚voranstehen‘) wird eine an ein Protein fest (meist kovalent) gebundene Nicht-Protein-Komponente mit katalytischer Wirkung bezeichnet. Da sie oft verändert aus der Katalyse hervorgeht, muss sie am Enzym regeneriert werden.

Beispiele

Coenzym

Funktionsweise eines Coenzyms

Ein Coenzym ist ein niedermolekulares organisches Molekül, dass nicht-kovalent an das Enzym bindet und daher nach der Katalyse wieder dissoziiert. Während der Reaktion nimmt es funktionelle Gruppen, Protonen, Elektronen oder Energie (im Fall von ATP) auf bzw. gibt sie ab (siehe auch Donator-Akzeptor-Prinzip). Es geht also – wie die prosthetische Gruppe – verändert aus der Reaktion hervor und muss daher neu aufgebaut werden. Dies unterscheidet das Coenzym zum Beispiel auch von allosterischen Effektoren. Typischerweise geschieht seine Regeneration in einer nachgeschalteten Reaktion. Da sich das Coenzym eher wie ein Substrat als wie ein Enzym verhält, wird es oft treffender auch als Cosubstrat (bzw. Kosubstrat) bezeichnet. Einige Coenzyme sind Derivate von Vitaminen.

Beispiele

Pyridoxalphosphat

Ein Koenzym ist das Pyridoxalphosphat am aktiven Zentrum von Transaminasen und Decarboxylasen. Im ersten Schritt katalysiert es z. B. die Deaminierung von Aminosäuren zu alpha-Ketosäuren, im zweiten wird die abstrahierte Aminogruppe auf eine andere alpha-Ketosäure übertragen (sog. ping-pong-bi-bi-Mechanismus nach Wallace W. Cleland). Das Pyridoxalphosphat wird in diesem Fall am gleichen Enzym (aus Pyridoxamin) regeneriert, jedoch in zwei Reaktionsschritten. Analoges gilt auch für die Decarboxylierungsreaktion, die eine Hydrolyse des am Enzym gebundenen Intermediats nach sich zieht.

Coenzym A

Ein weiteres Beispiel ist Coenzym A, das in freier bzw. acetylierter Form an verschiedenen Stellen des Citratzyklus sowie am Fettsäurestoffwechsel beteiligt ist. Ebenso im Citratzyklus, aber auch in der Glykolyse dienen die Coenzyme FAD, NAD vor allem als Elektronen- und Protonenakzeptoren oder -donatoren und sorgen somit für den Transport dieser von einem Edukt zum anderen. Andere Coenzyme wie ATP übertragen ganze Gruppen, z. B. Phosphatreste.

Ubichinon

Ein anderes Beispiel ist der Elektronencarrier Ubichinon (Coenzym Q). Aufnahme und Abgabe von Elektronen und Protonen erfolgt in der Atmungskette der Mitochondrien an verschiedenen Proteinkomplexen.

Weitere Coenzyme
Stoffname Coenzymbezeichnung Derivat von Funktionstyp
ATP liefert durch Abspaltung eines Phosphats die Aktivierungsenergie
überträgt Phosphat an das Substrat (Phosphatdonator)
ADP nimmt Phosphat vom Substrat entgegen (Phosphatakzeptor)
NAD+ Coenzym I Elektronen- und Protonenakzeptor, Oxidationsmittel
NADP+ Coenzym II Elektronen- und Protonenakzeptor, Oxidationsmittel
FAD Vitamin B2 Elektronen- und Protonenakzeptor, Oxidationsmittel
NADH Coenzym I Elektronen- und Protonendonator, Reduktionsmittel
NADPH Coenzym II Elektronen- und Protonendonator, Reduktionsmittel
FADH2 Elektronen- und Protonendonator, Reduktionsmittel
Ascorbinsäure Vitamin C Reduktionsmittel
Cobalamine Coenzym B12 Vitamin B12
Tetrahydrofolsäure Coenzym F Vitamin B9 Methylgruppendonator
Ubichinon-10 Coenzym Q10

Komplette Liste der von der Enzymkommission der International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) anerkannten Koenzyme/Kofaktoren siehe in der Kategorie:Koenzym/Kofaktor.

Metallionen

Metalloenzym ist der Name für Enzyme, die Metallionen enthalten. Metalle können zur Stabilisierung der Enzymstruktur beitragen, dienen aber auch als aktives Zentrum bei einer katalytischen Reaktion. Einige Metallgruppen können zusammengefasst werden, deren Anwesenheit auf eine bestimmte Funktion schließen lässt. Das bedeutet, dass Metalloenzyme Homologe in anderen Spezies mit verändertem oder im Extremfall auch fehlendem Metallion eine analoge Funktion ausüben. Grund ist häufig die unterschiedliche Verfügbarkeit der jeweiligen Metalle im Lebensraum der Organismen oder eine unterschiedliche evolutionäre Entwicklung, die zu ähnlichen Funktionen geführt hat. Ein extremes Beispiel ist das Bakterium Borrelia burgdorferi, das völlig ohne Eisen auskommt und stattdessen Mangan als Kofaktor im Stoffwechsel verwendet, beides Metalle, die eine sehr ähnliche chemische und strukturelle Chemie besitzen.[4] Ein weiteres Beispiel ist der Ersatz von Eisen-Proteinen durch Kupfer-Proteinen bei der Sauerstoffaktivierung. Die Anwesenheit eines Zink-Kations deutet häufig auf dessen Funktion als Lewis-Säure hin, z. B. in Peptidasen oder im sog. "Zinkfinger". Die Anwesenheit des Metallions ist daher für die Enzymfunktion oft entscheidend, das Fehlen des Metalls dann ein limitierender Faktor.

Kompetitive Enzymhemmung:
S: Substrat bzw. Cofaktor
I: kompetitiver Inhibitor

Beispiele

Erdalkalimetalle wie Calcium und Magnesium, teilweise aber auch Zink, sind oft für die Struktur und die Faltung von Proteinen verantwortlich, ohne katalytisch zu wirken. Diese Proteine heißen Metalloproteine.

Enzymhemmung

Hauptartikel: Enzymhemmung

Stoffe, die dem Cofaktor in dessen Bindungseigenschaften ähneln und auch mit dem Enzym komplexieren können, sind kompetitive Inhibitoren, sie hemmen das Enzym, indem sie um die Bindungsstelle für den Cofaktor konkurrierend (in „Kompetition“) blockieren.

Siehe auch

Weblinks

Quellen

Einzelnachweise

  1.  Eintrag: Cofactors. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). doi:10.1351/goldbook.C01128 (Version: 2.3.1).
  2.  Eintrag: Coenzyme. In: IUPAC Compendium of Chemical Terminology (the “Gold Book”). doi:10.1351/goldbook.C01126 (Version: 2.3.1).
  3. Georg Löffler, Petro E. Petrides und Peter C. Heinrich; Biochemie und Pathobiochemie, 8. Auflage
  4. Posey JE, Gherardini FC: Lack of a role for iron in the Lyme disease pathogen. In: Science. 288, Nr. 5471, Juni 2000, S. 1651–3. PMID 10834845.
  5. PMID 16989860

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