Cofator (bioquímica) - Cofactor (biochemistry)

O succinato desidrogenase complexos que mostram vários co-factores, incluindo flavina , centros de ferro-enxofre , e heme .

Um cofator é um composto químico não proteico ou íon metálico necessário para a atividade de uma enzima como catalisador (um catalisador é uma substância que aumenta a taxa de uma reação química ). Os cofatores podem ser considerados "moléculas auxiliares" que auxiliam nas transformações bioquímicas . As taxas em que isso acontecem são caracterizadas em uma área de estudo chamada cinética enzimática . Os cofatores normalmente diferem dos ligantes porque frequentemente derivam sua função permanecendo ligados.

Os cofatores podem ser divididos em dois tipos: íons inorgânicos e moléculas orgânicas complexas chamadas coenzimas. As coenzimas são principalmente derivadas de vitaminas e outros nutrientes essenciais orgânicos em pequenas quantidades. (Observe que alguns cientistas limitam o uso do termo "cofator" a substâncias inorgânicas; os dois tipos estão incluídos aqui.)

As coenzimas são divididas em dois tipos. O primeiro é chamado de "grupo protético", que consiste em uma coenzima que é firme ou mesmo covalente e permanentemente ligada a uma proteína. O segundo tipo de coenzimas são chamados de "co-substratos" e são transitoriamente ligados à proteína. Os co-substratos podem ser liberados de uma proteína em algum ponto e, em seguida, religar mais tarde. Tanto os grupos protéticos quanto os co-substratos têm a mesma função, que é facilitar a reação de enzimas e proteínas. Uma enzima inativa sem cofator é chamada de apoenzima , enquanto a enzima completa com cofator é chamada de holoenzima . (Observe que a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) define "coenzima" um pouco diferente, ou seja, como um composto orgânico não proteico de baixo peso molecular que é fracamente ligado, participando de reações enzimáticas como um transportador dissociável de grupos químicos ou elétrons; um grupo protético é definido como uma unidade não polipeptídica fortemente ligada em uma proteína que é regenerada em cada renovação enzimática.)

Algumas enzimas ou complexos enzimáticos requerem vários cofatores. Por exemplo, o complexo multienzimático piruvato desidrogenase na junção da glicólise e o ciclo do ácido cítrico requer cinco cofatores orgânicos e um íon metálico: pirofosfato de tiamina fracamente ligado (TPP), lipoamida covalentemente ligada e flavina adenina dinucleotídeo (FAD), cosotinamida dinucleotídeo adenina (NAD + ) e coenzima A (CoA), e um íon metálico (Mg 2+ ).

Os cofatores orgânicos geralmente são vitaminas ou feitos de vitaminas. Muitos contêm o monofosfato de adenosina nucleotídeo (AMP) como parte de suas estruturas, como ATP , coenzima A , FAD e NAD + . Essa estrutura comum pode refletir uma origem evolutiva comum como parte das ribozimas em um mundo antigo de RNA . Foi sugerido que a parte AMP da molécula pode ser considerada uma espécie de "alça" pela qual a enzima pode "agarrar" a coenzima para trocá-la entre diferentes centros catalíticos.

Classificação

Os cofatores podem ser divididos em dois grupos principais: cofatores orgânicos , como flavina ou heme ; e cofatores inorgânicos , como os íons metálicos Mg 2+ , Cu + , Mn 2+ e aglomerados de ferro-enxofre .

Os cofatores orgânicos às vezes são divididos em coenzimas e grupos protéticos . O termo coenzima refere-se especificamente a enzimas e, como tal, às propriedades funcionais de uma proteína. Por outro lado, "grupo protético" enfatiza a natureza da ligação de um cofator a uma proteína (firme ou covalente) e, portanto, refere-se a uma propriedade estrutural. Fontes diferentes fornecem definições ligeiramente diferentes de coenzimas, cofatores e grupos protéticos. Alguns consideram as moléculas orgânicas fortemente ligadas como grupos protéticos e não como coenzimas, enquanto outros definem todas as moléculas orgânicas não proteicas necessárias para a atividade enzimática como coenzimas e classificam aquelas que estão fortemente ligadas como grupos protéticos de coenzima. Esses termos costumam ser usados ​​livremente.

Uma carta de 1980 em Trends in Biochemistry Sciences observou a confusão na literatura e a distinção essencialmente arbitrária feita entre grupos protéticos e grupo de coenzimas e propôs o seguinte esquema. Aqui, os cofatores foram definidos como uma substância adicional à parte da proteína e do substrato necessária para a atividade enzimática e um grupo protético como uma substância que passa por todo o seu ciclo catalítico ligado a uma única molécula de enzima. No entanto, o autor não conseguiu chegar a uma definição única e abrangente de uma "coenzima" e propôs que esse termo fosse abandonado na literatura.

Cofatores inorgânicos

Íons de metal

Os íons metálicos são cofatores comuns. O estudo desses cofatores se insere na área de química bioinorgânica . Em nutrição , a lista de oligoelementos essenciais reflete seu papel como cofatores. Em humanos, essa lista geralmente inclui ferro , magnésio , manganês , cobalto , cobre , zinco e molibdênio . Embora a deficiência de cromo cause diminuição da tolerância à glicose , nenhuma enzima humana que use esse metal como cofator foi identificada. O iodo também é um oligoelemento essencial, mas esse elemento é usado como parte da estrutura dos hormônios da tireoide, e não como um co-fator enzimático. O cálcio é outro caso especial, pois é necessário como um componente da dieta humana e é necessário para a plena atividade de muitas enzimas, como óxido nítrico sintase , proteínas fosfatases e adenilato quinase , mas o cálcio ativa essas enzimas em regulação alostérica , frequentemente ligando-se a essas enzimas em um complexo com a calmodulina . O cálcio é, portanto, uma molécula de sinalização celular, e geralmente não é considerado um cofator das enzimas que regula.

Outros organismos requerem metais adicionais como cofatores enzimáticos, como vanádio na nitrogenase das bactérias fixadoras de nitrogênio do gênero Azotobacter , tungstênio no aldeído ferredoxina oxidoredutase do arqueano termofílico Pyrococcus furiosus , e até mesmo cádmio na anidrase carbônica do diatomônio marinho Thalassiosira weissflogii .

Em muitos casos, o cofator inclui um componente inorgânico e orgânico. Um conjunto diversificado de exemplos são as proteínas heme , que consistem em um anel de porfirina coordenado ao ferro .

Íon Exemplos de enzimas contendo este íon
Cúprico Citocromo oxidase
Ferroso ou férrico Catalase
Citocromo (via Heme )
Nitrogenase
Hidrogenase
Magnésio Glicose 6-fosfatase
Hexokinase
DNA polimerase
Manganês Arginase
Molibdênio Nitrato redutase
Nitrogenase
Níquel Urease
Zinco Álcool desidrogenase DNA polimerase
anidrase carbônica
Um aglomerado simples [Fe 2 S 2 ] contendo dois átomos de ferro e dois átomos de enxofre, coordenado por quatro resíduos de proteína cisteína.

Aglomerados ferro-enxofre

Aglomerados ferro-enxofre são complexos de átomos de ferro e enxofre mantidos nas proteínas por resíduos de cisteinila. Eles desempenham papéis estruturais e funcionais, incluindo transferência de elétrons, detecção redox e como módulos estruturais.

Orgânico

Os cofatores orgânicos são pequenas moléculas orgânicas (normalmente uma massa molecular inferior a 1000 Da) que podem ser fracamente ou fortemente ligadas à enzima e participar diretamente na reação. Neste último caso, quando é difícil remover sem desnaturar a enzima, pode ser denominado grupo protético . É importante enfatizar que não há uma divisão nítida entre cofatores fracamente e fortemente ligados. Na verdade, muitos, como o NAD +, podem ser fortemente ligados em algumas enzimas, enquanto são fracamente ligados em outras. Outro exemplo é o pirofosfato de tiamina (TPP), que está fortemente ligado na transcetolase ou piruvato descarboxilase , enquanto é menos fortemente ligado na piruvato desidrogenase . Outras coenzimas, flavina adenina dinucleotídeo (FAD), biotina e lipoamida , por exemplo, estão fortemente ligadas. Os cofatores fortemente ligados são, em geral, regenerados durante o mesmo ciclo de reação, enquanto os cofatores fracamente ligados podem ser regenerados em uma reação subsequente catalisada por uma enzima diferente. No último caso, o cofator também pode ser considerado um substrato ou co-substrato.

As vitaminas podem servir como precursores de muitos cofatores orgânicos (por exemplo, vitaminas B 1 , B 2 , B 6 , B 12 , niacina , ácido fólico ) ou como coenzimas (por exemplo, vitamina C ). No entanto, as vitaminas têm outras funções no corpo. Muitos cofatores orgânicos também contêm um nucleotídeo , como os transportadores de elétrons NAD e FAD , e a coenzima A , que transporta grupos acila . A maioria desses cofatores é encontrada em uma grande variedade de espécies e alguns são universais a todas as formas de vida. Uma exceção a esta ampla distribuição é um grupo de cofatores únicos que evoluíram em metanógenos , que são restritos a este grupo de arquéias .

Vitaminas e derivados

Co-fator Vitamina Componente adicional Grupo (s) químico (s) transferido (s) Distribuição
Pirofosfato de tiamina Tiamina (B 1 ) pirofosfato Grupos de 2 carbonos, clivagem α Bactérias , arquéias e eucariotos
NAD + e NADP + Niacina (B 3 ) ADP Elétrons Bactérias , arquéias e eucariotos
Fosfato de piridoxal Piridoxina (B 6 ) Nenhum Grupos amino e carboxila Bactérias , arquéias e eucariotos
Metilcobalamina Vitamina B 12 Grupo metil grupos acil Bactérias , arquéias e eucariotos
Cobalamina Cobalamina (B 12 ) Nenhum hidrogênio , grupos alquil Bactérias , arquéias e eucariotos
Biotina Biotina (H) Nenhum CO 2 Bactérias , arquéias e eucariotos
Coenzima A Ácido pantotênico (B 5 ) ADP Grupo acetil e outros grupos acil Bactérias , arquéias e eucariotos
Ácido tetrahidrofólico Ácido fólico (B 9 ) Resíduos de glutamato Grupos metil , formil , metileno e formimino Bactérias , arquéias e eucariotos
Menaquinona Vitamina K Nenhum Grupo carbonila e elétrons Bactérias , arquéias e eucariotos
Ácido ascórbico Vitamina C Nenhum Elétrons Bactérias , arquéias e eucariotos
Mononucleotídeo flavina Riboflavina (B 2 ) Nenhum Elétrons Bactérias , arquéias e eucariotos
Dinucleotídeo flavina adenina Riboflavina (B 2 ) ADP Elétrons Bactérias , arquéias e eucariotos
Coenzima F420 Riboflavina (B 2 ) Aminoácidos Elétrons Metanógenos e algumas bactérias

Não vitaminas

Co-fator Grupo (s) químico (s) transferido (s) Distribuição
Trifosfato de adenosina Grupo fosfato Bactérias , arquéias e eucariotos
S-adenosil metionina Grupo metil Bactérias , arquéias e eucariotos
Coenzima B Elétrons Metanógenos
Coenzima M Grupo metil Metanógenos
Coenzima Q Elétrons Bactérias , arquéias e eucariotos
Trifosfato de citidina Diacilgliceróis e grupos de cabeça lipídica Bactérias , arquéias e eucariotos
Glutationa Elétrons Algumas bactérias e a maioria dos eucariotos
Heme Elétrons Bactérias , arquéias e eucariotos
Lipoamida Elétrons , grupos acil Bactérias , arquéias e eucariotos
Metanofurano Grupo formil Metanógenos
Molibdopterina Átomos de oxigênio Bactérias , arquéias e eucariotos
Açúcares nucleotídicos Monossacarídeos Bactérias , arquéias e eucariotos
3'-Fosfoadenosina-5'-fosfosulfato Grupo sulfato Bactérias , arquéias e eucariotos
Pirroloquinolina quinona Elétrons Bactérias
Tetraidrobiopterina Átomo de oxigênio e elétrons Bactérias , arquéias e eucariotos
Tetrahidrometanopterina Grupo metil Metanógenos

Co-fatores como intermediários metabólicos

O metabolismo envolve uma vasta gama de reações químicas, mas a maioria se enquadra em alguns tipos básicos de reações que envolvem a transferência de grupos funcionais . Essa química comum permite que as células usem um pequeno conjunto de intermediários metabólicos para transportar grupos químicos entre diferentes reações. Esses intermediários de transferência de grupo são os cofatores orgânicos fracamente ligados, freqüentemente chamados de coenzimas .

Cada classe de reação de transferência de grupo é realizada por um cofator particular, que é o substrato para um conjunto de enzimas que o produzem e um conjunto de enzimas que o consome. Um exemplo disso são as desidrogenases que usam o dinucleotídeo nicotinamida adenina (NAD + ) como cofator. Aqui, centenas de tipos separados de enzimas removem elétrons de seus substratos e reduzem NAD + a NADH. Este cofator reduzido é então um substrato para qualquer uma das redutases na célula que requer elétrons para reduzir seus substratos.

Portanto, esses cofatores são continuamente reciclados como parte do metabolismo . Por exemplo, a quantidade total de ATP no corpo humano é de cerca de 0,1  mol . Este ATP está constantemente sendo dividido em ADP e, em seguida, convertido novamente em ATP. Assim, a qualquer momento, a quantidade total de ATP + ADP permanece razoavelmente constante. A energia utilizada pelas células humanas requer a hidrólise de 100 a 150 moles de ATP diariamente, que gira em torno de 50 a 75 kg. Em situações típicas, os humanos usam seu peso corporal de ATP ao longo do dia. Isso significa que cada molécula de ATP é reciclada de 1.000 a 1.500 vezes ao dia.

Evolução

Os cofatores orgânicos, como ATP e NADH , estão presentes em todas as formas de vida conhecidas e formam uma parte central do metabolismo . Essa conservação universal indica que essas moléculas evoluíram muito cedo no desenvolvimento dos seres vivos. Pelo menos parte do conjunto atual de cofatores pode, portanto, ter estado presente no último ancestral universal , que viveu há cerca de 4 bilhões de anos.

Os cofatores orgânicos podem ter estado presentes ainda antes na história da vida na Terra. O nucleotídeo adenosina está presente em cofatores que catalisam muitas reações metabólicas básicas, como a transferência de grupos metil, acila e fosforila, bem como reações redox . Este arcabouço químico onipresente foi, portanto, proposto como um remanescente do mundo do RNA , com as primeiras ribozimas evoluindo para se ligar a um conjunto restrito de nucleotídeos e compostos relacionados. Acredita-se que os cofatores à base de adenosina tenham agido como adaptadores intercambiáveis ​​que permitiram que enzimas e ribozimas se ligassem a novos cofatores por meio de pequenas modificações nos domínios de ligação de adenosina existentes , que originalmente evoluíram para se ligar a um cofator diferente. Este processo de adaptação de uma estrutura pré-desenvolvida para um novo uso é conhecido como exaptação .

Um método computacional, IPRO, previu recentemente mutações que trocaram experimentalmente a especificidade do cofator de Candida boidinii xilose redutase de NADPH para NADH.

História

O primeiro cofator orgânico a ser descoberto foi o NAD + , identificado por Arthur Harden e William Young 1906. Eles notaram que a adição de extrato de levedura fervido e filtrado acelerou enormemente a fermentação alcoólica em extratos de levedura não fervidos. Eles chamaram o fator não identificado responsável por esse efeito de coferment . Através de uma purificação longa e difícil de extratos de levedura, este fator estável ao calor foi identificado como um fosfato de açúcar de nucleotídeo por Hans von Euler-Chelpin . Outros cofatores foram identificados ao longo do início do século 20, com o ATP sendo isolado em 1929 por Karl Lohmann, e a coenzima A sendo descoberta em 1945 por Fritz Albert Lipmann .

As funções dessas moléculas eram inicialmente misteriosas, mas, em 1936, Otto Heinrich Warburg identificou a função do NAD + na transferência de hidretos. Essa descoberta foi seguida no início dos anos 1940 pelo trabalho de Herman Kalckar , que estabeleceu a ligação entre a oxidação de açúcares e a geração de ATP. Isso confirmou o papel central do ATP na transferência de energia que havia sido proposto por Fritz Albert Lipmann em 1941. Mais tarde, em 1949, Morris Friedkin e Albert L. Lehninger provaram que o NAD + ligava as vias metabólicas, como o ciclo do ácido cítrico e a síntese de ATP.

Cofatores derivados de proteínas

Em várias enzimas, a porção que atua como cofator é formada pela modificação pós-tradução de uma parte da sequência da proteína. Isso geralmente substitui a necessidade de um fator de ligação externo, como um íon metálico, para a função da proteína. Modificações potenciais podem ser oxidação de resíduos aromáticos, ligação entre resíduos, clivagem ou formação de anel. Essas alterações são distintas de outras modificações de proteínas pós-tradução, como fosforilação , metilação ou glicosilação em que os aminoácidos normalmente adquirem novas funções. Isso aumenta a funcionalidade da proteína; aminoácidos não modificados são tipicamente limitados a reações ácido-base, e a alteração de resíduos pode dar à proteína sítios eletrofílicos ou a capacidade de estabilizar radicais livres. Exemplos de produção de cofator incluem triptofano triptofilquinona (TTQ), derivado de duas cadeias laterais de triptofano, e 4-metilideno-imidazol-5-ona (MIO), derivado de um motivo Ala-Ser-Gly. A caracterização de cofatores derivados de proteínas é realizada usando cristalografia de raios-X e espectroscopia de massa ; os dados estruturais são necessários porque o sequenciamento não identifica prontamente os locais alterados.

Cofatores não enzimáticos

O termo é usado em outras áreas da biologia para se referir mais amplamente a moléculas não proteicas (ou mesmo proteínas) que ativam, inibem ou são necessárias para o funcionamento da proteína. Por exemplo, ligantes como hormônios que se ligam e ativam proteínas receptoras são denominados cofatores ou coativadores, enquanto as moléculas que inibem proteínas receptoras são denominadas corepressores. Um exemplo é a família de receptores acoplados à proteína G, que são freqüentemente encontrados em neurônios sensoriais. A ligação do ligante aos receptores ativa a proteína G, que então ativa uma enzima para ativar o efetor. Para evitar confusão, foi sugerido que tais proteínas que têm ativação ou repressão mediada por ligação de ligante sejam referidas como co-reguladores.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos