Cofactor, Clasificación, Inorgánico, Orgánico, Cofactores para no enzimáticos

Un cofactor es un compuesto químico no-proteína que se une a una proteína y que se requiere para la actividad biológica de la proteína. Estas proteínas son comúnmente enzimas, cofactores y pueden ser considerados "moléculas ayudantes" que ayudan en transformaciones bioquímicas.

Los cofactores pueden clasificarse en función de la fuerza con que se unen a una enzima, con cofactores débilmente ligados denominados coenzimas y cofactores fuertemente unidos denominados grupos prostéticos. Algunas fuentes también limitan el uso del término "cofactor" para las sustancias inorgánicas. Una enzima inactiva, sin el cofactor se llama una apoenzima, mientras que la enzima completa con cofactor es la holoenzima.

Algunas enzimas o complejos de enzimas requieren varios cofactores. Por ejemplo, la multienzimático complejo piruvato deshidrogenasa en la unión de la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico requiere cinco cofactores orgánicos y un ion metálico: pirofosfato de tiamina débilmente unida, lipoamida unido covalentemente y dinucleótido de flavina adenina, y el co-sustratos dinucleótido de nicotinamida y adenina y coenzima A, y un ion metálico.

Cofactores orgánicos son a menudo vitaminas o se hacen de vitaminas. Muchos contienen el monofosfato de adenosina de nucleótidos como parte de sus estructuras, tales como ATP, coenzima A, FAD, y NAD . Esta estructura común puede reflejar un origen evolutivo común como parte de las ribozimas en un mundo de ARN antigua. Se ha sugerido que la parte de la molécula de AMP se puede considerar una especie de "mango" por el que la enzima puede "comprender" la coenzima para cambiar que entre diferentes centros catalíticos.

Clasificación

Los cofactores pueden dividirse en dos grandes grupos: los cofactores orgánicos, tales como flavina o hemo, y cofactores inorgánicos, tales como los iones de metales de Mg2 , Cu , Mn2 , o grupos de sulfuro de hierro.

Cofactores orgánicos se dividen a veces aún más en coenzimas y grupos prostéticos. El término coenzima se refiere específicamente a las enzimas y, como tal, a las propiedades funcionales de una proteína. Por otra parte, "grupo prostético" hace hincapié en la naturaleza de la unión de un cofactor para una proteína y, por lo tanto, se refiere a una propiedad estructural. Diferentes fuentes dan definiciones ligeramente diferentes de las coenzimas, cofactores y grupos prostéticos. Algunos consideran moléculas orgánicas fuertemente unidos como grupos prostéticos y no como coenzimas, mientras que otros definen todas las moléculas orgánicas no proteicas necesarios para la actividad de la enzima como coenzimas, y clasificar los que están estrechamente ligadas como grupos prostéticos coenzima. Debe tenerse en cuenta que estos términos se utilizan a menudo sin apretar.

Una carta de 1979 de Tendencias en Ciencias Bioquímicas señaló la confusión en la literatura y la distinción esencialmente arbitraria hecha entre grupos prostéticos y coenzimas y propone el siguiente esquema. Aquí, cofactores se definieron como una sustancia adicional, aparte de proteína y sustrato que se requiere para la actividad de la enzima y un grupo prostético como una sustancia que se somete a su ciclo de toda catalítica unido a una sola molécula de enzima. Sin embargo, el autor no pudo llegar a una definición única que todo lo abarca de una "coenzima", y propuso que este término se bajó de su uso en la literatura.

Inorgánico

Los iones metálicos

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Los iones metálicos son cofactores comunes. El estudio de estos cofactores cae bajo el ámbito de la química bioinorgánica. En nutrición, la lista de elementos traza esenciales refleja su papel como cofactores. En los seres humanos esta lista incluye comúnmente el hierro, magnesio, manganeso, cobalto, cobre, zinc, y molibdeno. Aunque la deficiencia de cromo provoca deterioro de la tolerancia a la glucosa, sin enzima humana que utiliza este metal como un cofactor se ha identificado. El yodo también es un elemento traza esencial, pero este elemento se utiliza como parte de la estructura de las hormonas tiroideas en lugar de como un cofactor de la enzima. El calcio es otro caso especial, en que se requiere como un componente de la dieta humana, y que es necesaria para la plena actividad de muchas enzimas, tales como la sintasa de óxido nítrico, fosfatasas de proteínas, y la adenilato quinasa, pero el calcio activa estas enzimas en regulación alostérica, a menudo la unión a estas enzimas en un complejo con la calmodulina. El calcio es, por lo tanto, una molécula de señalización celular, y no se considera generalmente como un cofactor de las enzimas que regula.

Otros organismos requieren metales adicionales como cofactores enzimáticos, tales como vanadio en la nitrogenasa de las bacterias fijadoras de nitrógeno del género Azotobacter, tungsteno en el aldehído ferredoxina oxidorreductasa del termófilo archaean Pyrococcus furiosus, e incluso el cadmio en la anhidrasa carbónica de la diatomea marina Thalassiosira weissflogii.

En muchos casos, el cofactor incluye tanto un componente inorgánico y orgánico. Un conjunto diverso de ejemplos es las proteínas hemo, que consisten en un anillo de porfirina de hierro coordinado.

Conglomerados de sulfuro de hierro

 Más información: proteínas hierro-azufre

Conglomerados de sulfuro de hierro son complejos de hierro y átomos de azufre en poder dentro de las proteínas con residuos cisteinil. Juegan un papel tanto estructurales y funcionales, incluyendo la transferencia de electrones, detección redox, y como módulos estructurales.

Orgánico

Cofactores orgánicos son moléculas orgánicas pequeñas que pueden ser ya sea débilmente o fuertemente unidos a la enzima y participan directamente en la reacción. En este último caso, cuando es difícil de retirar sin la desnaturalización de la enzima, que puede ser llamado un grupo prostético. Es importante destacar que no existe una división clara entre libremente y cofactores fuertemente unidos. De hecho, muchos tales como NAD puede ser fijado fuertemente en algunas enzimas, mientras se está débilmente ligado en otros. Otro ejemplo es el pirofosfato de tiamina, que está unido firmemente en transcetolasa o la piruvato descarboxilasa, mientras que es menos fuertemente unido en piruvato deshidrogenasa. Otros coenzimas, dinucleótido de flavina adenina, biotina, y lipoamida, por ejemplo, están unidos covalentemente. Cofactores fuertemente unidos son, en general, regenerada durante el mismo ciclo de reacción, mientras que los cofactores débilmente ligados se pueden regenerar en una posterior reacción catalizada por una enzima diferente. En este último caso, el cofactor también puede considerarse como un sustrato o cosustrato.

Las vitaminas pueden servir como precursores a muchos cofactores orgánicos o como coenzimas mismos. Sin embargo, vitaminas tienen otras funciones en el cuerpo. Muchos cofactores orgánicos también contienen un nucleótido, tales como la transportadores de electrones NAD y FAD, y la coenzima A, que lleva grupos acilo. La mayoría de estos cofactores se encuentran en una gran variedad de especies, y algunos son universales para todas las formas de vida. Una excepción a esta amplia distribución es un grupo de cofactores únicos que se desarrolló en los metanógenos, que se limitan a este grupo de arqueas.

Vitaminas y derivados

Que no son vitaminas

Los cofactores como intermediarios metabólicos

Metabolismo implica una amplia gama de reacciones químicas, pero la mayoría caen bajo unos pocos tipos básicos de reacciones que implican la transferencia de grupos funcionales. Esta química común permite a las células utilizar un pequeño conjunto de intermediarios metabólicos para llevar a grupos químicos entre las reacciones diferentes. Estos intermedios grupo de transferencia son los cofactores orgánicos débilmente ligados, a menudo llamadas coenzimas.

Cada clase de reacción de transferencia de grupo se lleva a cabo por un cofactor en particular, que es el sustrato para un conjunto de enzimas que lo producen, y un conjunto de enzimas que la consumen. Un ejemplo de esto son las deshidrogenasas que utilizan dinucleótido adenina nicotinamida como un cofactor. Aquí, cientos de tipos diferentes de enzimas eliminan electrones de sus sustratos y reducen el NAD a NADH. Este cofactor reducido es entonces un sustrato para cualquiera de las reductasas en la celda que requieren electrones para reducir sus sustratos.

Por lo tanto, estos cofactores se reciclan continuamente como parte del metabolismo. Como un ejemplo, la cantidad total de ATP en el cuerpo humano es de aproximadamente 0,1 moles. El ATP es constantemente dividido en ADP, y luego se convierte de nuevo en ATP. Por lo tanto, en un momento dado, la cantidad total de ATP ADP mantiene bastante constante. La energía utilizada por las células humanas requiere la hidrólisis de 100 a 150 moles de ATP diaria, que es de alrededor de 50 a 75 kg. En situaciones típicas, los seres humanos utilizan hasta su peso corporal de ATP durante el transcurso del día. Esto significa que cada molécula de ATP se recicla 1000-1500 veces al día.

Evolución

 Más información: Abiogenesis

Cofactores orgánicos, como el ATP y NADH, están presentes en todas las formas de vida conocidas y constituyen una parte fundamental del metabolismo. Tal conservación universal, indica que estas moléculas se desarrollaron muy temprano en el desarrollo de los seres vivos. Al menos algunos de la actual serie de cofactores pueden, por lo tanto, han estado presentes en el último ancestro universal, que vivió hace unos 4 millones de años.

Cofactores orgánicos pueden haber estado presentes incluso antes en la historia de la vida en la Tierra. Es interesante observar que la adenosina de nucleótidos está presente en cofactores que catalizan muchas reacciones metabólicas básicas, tales como metilo, acilo, y la transferencia de grupo fosforilo, así como las reacciones redox. Este ubicua andamio química ha, por lo tanto, ha propuesto ser un remanente del mundo del ARN, con los primeros ribozimas evolución de obligar a un conjunto restringido de nucleótidos y compuestos relacionados. Cofactores basados adenosina se cree que han actuado como adaptadores intercambiables que las enzimas y ribozimas deja unir cofactores nuevos a través de pequeñas modificaciones en los dominios de unión de adenosina existentes, que se habían desarrollado originalmente para enlazar un cofactor diferente. Este proceso de adaptación de una estructura pre-evolucionado para un nuevo uso se conoce como Exaptación.

Un método computacional, IPRO, predijo recientemente mutaciones que cambiaron experimentalmente la especificidad de cofactor de Candida boidinii xilosa reductasa de NADPH a NADH. Los detalles sobre cómo descargar el software implementado en Python y prueba experimental de las predicciones se resumen en el siguiente documento.

Historia

 Más información: Historia de la bioquímica

La primera cofactor orgánico para ser descubierto era NAD , el cual fue identificado por Arthur Harden y William Youndin 1906. Se dieron cuenta de que la adición de levadura hervida y filtrada extracto de fermentación alcohólica muy acelerado de extractos de levadura sin hervir. Llamaron el factor no identificado responsable de este efecto un coferment. A través de una purificación larga y difícil a partir de extractos de levadura, este factor estable al calor se identificó como un fosfato de azúcar de nucleótidos de Hans von Euler-Chelpin. Otros cofactores se identificaron durante el siglo 20, con la ATP está aislado en 1929 por Karl Lohmann, y la coenzima A ser descubierto en 1945 por Fritz Albert Lipmann.

Las funciones de estas moléculas estaban en primera misterioso, pero, en 1936, Heinrich Otto Warburg identifican la función de NAD en la transferencia de hidruro. Este descubrimiento fue seguido a principios de 1940 por la obra de Herman Kalckar, que estableció el vínculo entre la oxidación de los azúcares y la generación de ATP. Esto confirmó el papel central de ATP en la transferencia de energía que se había propuesto por Fritz Albert Lipmann en 1941. Más tarde, en 1949, Morris Friedkin y Albert L. Lehninger demostraron que el NAD vinculada vías metabólicas tales como el ciclo del ácido cítrico y la síntesis de ATP.

Cofactores para no enzimáticos

El término se utiliza en otras áreas de la biología para referirse de manera más amplia a las moléculas no proteicas que accionen, inhibir, o se requieren para que la proteína funcione. Por ejemplo, ligandos tales como las hormonas que se unen y activan proteínas receptoras se denominan cofactores o coactivadores, mientras que las moléculas que inhiben las proteínas del receptor se denominan corepressors.