Cofactores enzimáticos orgánicos

Los cofactores son importantes elementos para los procesos bioquímicos. Generalmente presentes como compuestos orgánicos pequeños o iones metálicos, los cofactores dar poder a las enzimas para la máxima funcionalidad de la efectividad catalítica o resistencia. Las coenzimas con un subgrupo de cofactores cuya estructura es en parte derivada de las vitaminas hidrosolubles del grupo B. Históricamente los cofactores han sido removidos inadvertidamente durante la purificación y han debido ser agregados para restaurar la actividad enzimática. En la actualidad, nos referimos a un cofactor como un componente obligatorio del mecanismo catalítico.

Los compuestos que cumplen el criterio anterior son 1) moléculas orgánicas pequeñas que se unen directamente a la superficie de la enzima, formando un sitio activo para que se una o interactúe el sustrato, o asiste en estos eventos indirectamente, o 2) iones inorgánicos que se unen a grupos específicos en la superficie de la enzima y ayudan en la unión del sustrato, catálisis, estabilización del estado de transición o contribuyen a la estabilidad global de la estructura enzimática. Hablando prácticamente, cualquier substancia en un medio de ensayo que promueve la actividad catalítica o la estabilidad de una enzima es un candidato para cofactor.

Cofactores y coenzimas son términos que se usan intercambiablemente. Es importante notar, sin embargo, que el prefijo “holo” se utiliza para referirse a una enzima y a su coenzima juntas como una unidad catalítica, y el prefijo “apo” cuando falta la coenzima. Las apoenzimas son afuncionales y no benefician al organismo.

Los estudios tempranos en vitaminas encontraron que muchas, especialmente las vitaminas hidrosolubles del grupo B, formaban el núcleo de los compuestos que tomaban parte en la catálisis enzimática. El descubrimiento estableció un puente entre nutrición y bioquímica. En efecto, muchos investigadores bioquímicos tempranos se dedicaron a aprender las funciones biológicas de los nutrimentos esenciales, los cuales incluían a las vitaminas.

Un principio general que emergió en ese entonces era que una vitamina debía ser cambiada a otro compuesto para ser metabólicamente funcional. Con la dieta como la única fuente, fue posible aprender los efectos específicos de las vitaminas individuales por estudios de omisión. Con estudios más profundos de los procesos biológicos, pronto se dieron cuenta de que cancelar una enzima en una ruta bioquímica crítica estaba detrás de muchas de las enfermedades por deficiencia vitamínica, como beriberi, pelagra y anemia perniciosa. Esto puso un nuevo énfasis en las funciones enzimáticas y en la búsqueda por enzimas que dependieran de las vitaminas para funcionar.

Se considera que existen alrededor de 20 principales cofactores orgánicos involucrados en la acción enzimática de las rutas bioquímicas en humanos.

 

Vitaminas específicas como cofactores

Tiamina (vitamina B1)

Mejor conocida como el factor anti-beriberi y llamada inicialmente simplemente vitamina B por McCollum, la tiamina está involucrada en la descarboxilación de piruvato a acetaldehído en la fermentación alcohólica y fue llamada “cocarboxilasa” en 1932. La confirmación de su estructura como tiamina-pirofosfato (TPP, por sus siglas en inglés) vino 5 años después. Su nombre significa una vitamina que contiene azufre (thios en griego).

Reacciones en las que está involucrada:

1.  Complejo piruvato-deshidrogenasa en mitocondrias.
2.  Complejo α-cetoglutarato-deshidrogenasa en mitocondrias.
3.  Deshidrogenasa de cadena ramificada.
4.  Reacciones de transcetolasa en la ruta de la pentosa y en la ruta reductora de pentosa en la fotosíntesis.

La estructura de la tiamina tiene dos anillos puenteados por un grupo metileno. La coenzima (TPP) surge vía una pirofosforilación del grupo alcohol primario dependiente de ATP. Lo que puede llamarse el sitio activo de la coenzima es el carbono en la posición 2 (C-2) del anillo más pequeño de tiazolio de 5 miembros. Una posición favorable de C-2 entre átomos de nitrógeno y azufre causa que el hidrógeno en C-2 intercambie protones con agua, indicando que C-2 se puede ionizar a carbanión.

Como un carbanión, C-2 es capaz de unirse a centros positivos como carbono carbonilo de α-cetoácidos y cetoazúcares. En la reacción con piruvato, α-cetoglutarato o α-cetoácidos de cadena ramificada de valina, leucina o isoleucina, un grupo carboxilo es expelido como CO2 y los electrones permanecen con el “aldehído activo” en la posición C-2.

El ataque en el cetoazúcar separa los primeros 2 carbonos como una unidad, que luego se une a C-2 como un aducto “glicoaldehido activo”. La levadura separa el aldehído activo como acetaldehído más tarde para ser reducido a etanol por alcohol-deshidrogenasa. Las bacterias convierten al aldehído activo en acetil-fosfato. En las mitocondrias de los organismos superiores, sin embargo, el aldehído actico es oxidado por una enzima que contiene FAD (parte del complejo piruvato-deshidrogenasa) y transferido al ácido lipoico, el cual transfiere el grupo acetilo altamente energético al grupo tiol de la coenzima A.

Como una coenzima para transcetolasas en la ruta de la pentosa, TPP toma parte en la formación de ribosa-5-fosfato, gliceraldehido-3-fosfato y eritrosa-4-fosfato a partir de sedohepulosa-7-fosfato, xiulosa-5-fosfato y frutosa-6-fosfato, respectivamente. Cada fosfato de azúcar dona un glicoaldehido activo a un aceptor de aldosa.

TPP es también la coenzima para deshidrogenasa de cadena ramificada, la enzima que cataliza la descarboxilación oxidante de α-cetoácidos derivados de leucina, isoleucina y valina, tres aminoácidos esenciales. La reacción sigue un esquema similar a la oxidación de piruvato, aunque el esqueleto de carbono del aminoácido se condensa con la coenzima A (CoA).

Riboflavina (vitamina B2)

La primera pista de que la vitamina B de McCollum era en realidad un complejo multifactorial surgió cuando la levadura sin actividad antineuritis retenía la actividad estimuladora del crecimiento. Originalmente llamada vitamina G, la riboflavina fue renombrada vitamina B2 cuando se reconoció como parte del complejo B de la levadura. El nombre riboflavina siguió al descubrimiento en 1935 de su asociación con el pigmento fluorescente verde del suero.

En la actualidad nos referimos a riboflavina y niacina como las 2 principales vitaminas que dan lugar a coenzimas que funcionan con enzimas conocidas como oxidoreductasas. Ambas coenzimas transportan electrones hacia y desde los sustratos, formando así productos oxidados o reducidos. Las dos con conocidas como coenzimas redox (abreviatura de oxidación-reducción) por esta razón.

La riboflavina fue identificada como el compuesto bioquímico que daba el color a la enzima amarilla de Warburg, glucosa-6-fosfato-deshidrogenasa (G6PDH, por sus siglas en inglés). Se notó que G6PDH catalizaba la transferencia de electrones de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH) a azul de metileno, un tinte sensible a redox que pierde el color por reducción, sugiriendo que la riboflavina probablemente mediaba el intercambio de electrones. G6PDH es un punto clave de entrada para glucosa en la ruta de la pentosa y un colaborador importante de NADPH para la biosíntesis de ácidos grasos y otras grasas.

Riboflavina está asociada con 2 coenzimas, mononucleótido de flavina (FMN, por sus siglas en inglés) y dinucleótido de flavina y adenina (FAD, por sus siglas en inglés). FMN es formado por fosforilación del alcohol primario en la parte azúcar de riboflavina, una reacción dependiente de ATP. FAD resulta de la condensación adicional de FMN con la parte 5’ AMP del ATP. Lo que puede ser considerado el sitio activo es el anillo de isoaloxacina, que puede existir en estado oxidado o reducido, dependiendo de la ausencia o presencia de pares de electrones, respectivamente.

Las enzimas que contienen FAD o FMN son referidas como flavoproteínas. FMN está limitado a las proteínas de membrana del sistema de transporte de electrones en la mitocondria, mientras que FAD se encuentra tanto en las enzimas unidas a la membrana como en las solubles. El cofactor de flavina se une covalentemente a la estructura, previniendo la separación durante los procedimientos de purificación.

Las enzimas de flavina están diseñadas para remover (y agregar) electrones hacia y desde los sustratos. En general, las coenzimas de flavina son agentes oxidantes más fuertes que las coenzimas de pirimidina (NAD+ y NADP+)  y tienden a participar en reacciones más complejas. También, las coenzimas de flavina pueden aceptar electrones únicos de un donador, formando una semiquinona y permitiendo a las flavoproteínas tomar parte en reacciones que forman radicales libres. Tener un solo electrón también permite a las flavinas unirse a oxígeno molecular como un complejo hidroxiperoxilo.

Niacina (vitamina B3, ácido nicotínico, nicotinamida)

La niacina resulta interesante, ya que su compuesto padre, el ácido nicotínico, ha sido conocido desde 1867, mientras que su actividad como vitamina fue reconocida en 1937. Si tiamina es el factor anti-beriberi, la niacina es el factor anti-pelagra. La pelagra es una enfermedad caracterizada por dermatitis en áreas de la piel expuestas a la luz solar, así como inflamación en las piernas, desde la rodilla hacia abajo, además de enrojecimiento doloroso y comezón.

La niacina es el componente activo de la segunda mayor coenzima redox, nicotinamida adenina dinucleótido y su fosfato (NAD+ y NADP+, respectivamente). Como con FMN y FAD, NAD+ y NADP+ surgen por fosforilación y condensación de la estructura básica de la vitamina con ATP. NAD+ difiere de NADP+ por tener un grupo fosfato en la posición 3’ de la pentosa más cercana a la adenina. NAD+ y NADH fueron descubiertos en extractos dializables de levadura, lo que significa que estas coenzimas se separaban fácilmente de la enzima que las unía. La habilidad para unirse y separarse de la enzima es fundamental para la entrega de electrones.

Con algunas excepciones, las reacciones relacionadas a redox de NAD+ y NADP+ son con enzimas deshidrogenasas, enzimas que catalizan la remoción y adición de electrones (como iones hidruro) a sustratos. Una reacción típica en la cual NAD+ es el agente oxidante es la conversión de ácido L-láctico a piruvato. Por lo tanto, la coenzima es el principal participante en las reacciones catabólicas productoras de energía.

NADP+ tiene un menor papel catabólico, pero su forma reducida, NADPH, es un importante reductor en las reacciones anabólicas, especialmente la biosíntesis de ácidos grasos y otros lípidos.

El sitio activo tanto de NAD+ como de NADP+ es el anillo de nicotinamida. La forma oxidada de nicotinamida tiene un nitrógeno cuaternario (4 uniones), descrito como una carga positiva. El anillo oxidado acepta 2 electrones y un protón del sustrato (literalmente un ión hidruro, H–) reduciendo el anillo y aboliendo la carga positiva en el nitrógeno.

Se conocen más de 200 enzimas que catalizan reacciones en las cuales NAD+ o NADP+ aceptan un ión hidruro del sustrato. Adicionalmente, hay una fuerte estereoespecificidad para esta reacción. La adición de un H– al anillo puede ser en el frente (tipo A) o en la espalda (tipo B), dependiendo de la enzima. Reducir el anillo debilita su unión a la enzima y causa que NADH (o NADPH) se disocie y se una a otros componentes celulares con el propósito de transferir los electrones.

NAD+ es también una fuente de 5’ adenosina-monofosfato (5’AMP, por sus gilas en inglés) en una serie limitada de reacciones de activación o inhibición. El 5’AMP transferido se vuelve un grupo que se separa para la subsecuente formación de unión. En la DNA-ligasa en bacterias, por ejemplo, el 5’AMP es transferido a una lisina en la enzima para formar un aducto fosfoamida inusual, que subsecuentemente es transferida a una de las cadenas de DNA. El ataque por el grupo 3’ hidroxilo en la cadena adyacente de DNA libera el 5’AMP concomitante con la formación de una unión fosfodiester, sellando juntas las 2 cadenas de DNA.

Una reacción relacionada, conocida como ribosilación-ADP resulta en la separación del grupo nicotinamida del NAD+ y la parte ribosa forma una unión glicosilamina covalente con una proteína. La ribosilación-ADP de proteínas sensibles es uno de los efectos más mortales de las toxinas bacterianas como la toxina del cólera, la de la difteria o la de la tosferina.

Piridoxina (vitamina B6)

La vitamina B6 fue descubierta en los 1930s y nombrada piridoxina debido a su parecido estructural con la piridina. El mayor involucramiento de la piridoxina es con una familia de enzimas conocidas colectivamente como aminotransferasas.  Estas enzimas intercambian grupos amino de aminoácidos a α-cetoácidos. Nombres familiares incluyen la glutamato-oxalato-transaminasa de suero (SGOT, por sus siglas en inglés). La coenzima, piridoxal-5’-fosfato (PLP, por sus siglas en inglés), es la forma predominante y es sintetizada en una reacción de 2 etapas que involucra la oxidación del grupo hidroximetilo en la posición para del anillo de piridina a un aldehído, y la fosforilación del grupo hidroximetilo en la posición 5.

PLP es también una coenzima para glicógeno-fosforilada y ornitina-descarboxilasa. Con tetrahidrofolato, PLP toma parte en la interconversión serina a glicina. En la superficie de la enzima, la especie reactiva no es un aldehído, sino más bien una aldamina formada por una unión base Schiff entre el aldehído y un grupo ε-amino de lisina en el sitio activo.

La reactividad de PLP se debe a varias características. Primero, el carbonilo (aldehído) en el anillo está posicionado para unirse a los grupos amino de aminoácidos y unir el aminoácido a la enzima. A través de una serie de rearreglos de electrones promovidos por la PLP, el nitrógeno en el sustrato aminoácido es separado y el esqueleto de carbono (un α-cetoácido) es liberado, reteniendo el grupo amino en la coenzima (piridoxamina-5’-fosfato). La enzima entonces se une a un segundo α-cetoácido y transfiere el grupo amino, generando un nuevo aminoácido y restaurando la función carbonilo en la PLP.

Otros cambios también pueden ocurrir a la estructura ligada. Un rearreglo de electrones puede resultar en la pérdida de un grupo carboxilo (como CO2) o una molécula de H2O.  Así, las enzimas PLP pueden también participar en reacciones de descarboxilación y deshidratación.

En la reacción de glicógeno-fosforilasa, el grupo fosfato de la coenzima actúa como un catalizador general, promoviendo el ataque de fosfato en la unión glicosídica del glicógeno.

Ácido fólico

El ácido fólico fue reconocido por primera vez como el factor levadura o hepático que podía curar una anemia megaloblástica severa en pollos, monos y humanos. La prueba posterior de que la substancia activa era un factor de crecimiento para ciertas bacterias como Lactobacillus casei y Streptococcus faecalis proporcionó un bioensayo rápido para el aislamiento, identificación y eventual síntesis de la vitamina y sus coenzimas.

El nombre ácido fólico fue dado en 1941 en reconocimiento de su abundancia en verduras de hoja verde y su estructura fue confirmada como ácido monopteroilglutámico en 1946. En la actualidad, reconocemos al ácido fólico como una de las coenzimas de vitaminas más complejas, debido a su presencia en muchas formas bioquímicas. A pesar de su enorme complejidad, sin embargo, el papel bioquímico del ácido fólico se angosta a un juego específico de reacciones sintéticas cuyo común denominador es las unidades de un carbono.

La estructura del ácido fólico (ácido N-pteroil-L-glutámico) comprende un compuesto formado por 3 moléculas unidas covalentemente: un anillo metilado de pteridina unido a un ácido ρ-aminobenzoico (PABA, por sus siglas en ingles), que a su vez está unido vía el grupo carboxilo al α-nitrógeno del ácido glutámico.

La forma coenzima es el tetrahidrofolato (FH4, por sus siglas en inglés) formado en los mamíferos por adición de 4 electrones y 4 hidrógenos al anillo de pteridina. La reducción es catalizada por dihidrofolato-reductasa con NAPDH como donador de electrones. La adición de uno o más residuos de ácido glutámico completa la estructura. En la etapa reductora, un nuevo centro asimétrico es generado en C-6 y parece ser crítico para el papel biológico, sado que solamente un estereoisómero de este centro es activo. FH4 puede tener hasta 7 residuos de ácido glutámico y existir en muchas diferentes formas químicas, la mayoría de las cuales es interconvertible.

Las reacciones básicas tienen lugar en las posiciones N5 y N10 en la molécula, las que sirven como puntos de anclaje para las unidades de un carbono en tránsito. N10-formilo-FH4 y N5,N10-metilenilo-FH4 son 2 formas sintéticas biológicamente activas. Los complejos de N5-formilo-FH4 (ácido folínico) transfieren grupos formilo a sustratos específicos. Los derivados activos de ácido fólico tienen carbono en el estado de oxidación de formato así como formaldehido (metileno), y un derivado de metilo, N5-metilo-FH4 se conoce por tomar parte en a conversión enzimática de homocisteina a metionina. Estas observaciones revelan que la familia de coenzimas de ácido fólico es bastante compleja pero todas parecen involucrar la unión de un solo átomo de carbono al sustrato.

Las enzimas que requieren ácido fólico participan en lo que se conoce como el metabolismo de un carbono. Esto toma la forma de transferencias de grupo, involucrando grupos metilo, grupos formilo, grupos formimino y grupos metileno. El ácido fólico no toma parte en acetilaciones o carboxilaciones.

En tal vez su único requerimiento importante como un donador de grupo metilo, N5-metilo-FH4 es necesario por la enzima homocisteina-metiltransferasa para sintetizar (regenerar) metionina a partir de homocisteina. Esta reacción también utiliza un derivado metilado de la vitamina B12 para mediar la transferencia de grupo. Otra importante reacción es la interconversión de serina y glicina; la reacción requiere el derivado N5,N10-metilenilo-FH4.

En la actualidad, la lista de reacciones catalizadas por folato es bastante larga e incluye unidades de un carbono en la síntesis de un anillo de purina en los ácidos nucleicos, metilación de DNA y RNA, la biosíntesis de timidina, biosíntesis de colina y S-adenosilmetionina (SAM, por sus siglas en inglés) y el catabolismo de histidina y tirosina.

Biotina

El interés temprano en la biotina involucraba el llamado factor de daño de clara de huevo. Cuando se confirmó que el daño en la clara de huevo era causado por una deficiencia y no una toxicidad, la búsqueda de la substancia faltante llevó eventualmente al descubrimiento de biotina. La investigación en la vitamina llevó a un nuevo concepto en nutrición, el de las antivitaminas –o sustancias capaces de detener la acción de las vitaminas antes de su uso como cofactores. En el caso de biotina, la antivitamina resultó ser la proteína avidina, que se une a la biotina tenazmente y limita su absorción intestinal.

La biotina puede ser vista como otro cofactor de un carbono, pero para biotina este es CO2. Así, las enzimas que requieren biotina catalizan reacciones de carboxilación, descarboxilación o transcarboxilación.

La forma activa de la biotina es la biocitina (ε-N-biotinilo –L-lisina), formada por la unión covalente de la cadena lateral de biotina al grupo ε-amino de un residuo de lisina en la apoenzima, catalizada por una sintetasa específica. La condensación requiere ATP y procede vía un intermediario biotinilo-AMP con la apoenzima catalizando la formación de la unión amida. La estructura única resultante combina las cadenas alifáticas de biotina y lisina, permitiendo que la estructura de anillo de la biotina se extienda unos 14 Å de la superficie de la enzima.

El sitio activo en el grupo biotinilo es uno de los N en el anillo de 5 miembros. Un derivado N-carboxilo sirve como donador de CO2 a un aceptor de sustrato apropiado. La reacción ocurre en 2 etapas y requiere una formación ATP-dependiente de una carboxilo-biotinilo-enzima. Si la enzima es una carboxilasa, hay 2 tipos principales de sustrato: 1) derivados de acilo-CoA, que incluye acetil-CoA y propionilo-CoA; y 2) simples α-cetoácidos como el piruvato. Cada sustrato debe contener un grupo carbonilo adyacente a o conjugado con el carbón que recibe el grupo carboxilo de la carboxilo-biocitina.

Tal vez las enzimas biotina-carboxilasa más familiares en los sistemas mamíferos son acetilo-CoA carboxilasa en la biosíntesis de ácidos grasos, propionilo-CoA-carboxilasa en el catabolismo de ácidos grasos de cadena impar, piruvato-carboxilasa en gluconeogénesis y β-metilo-crotonilo-CoA-carboxilasa en el catabolismo de leucina.

Ácido pantoténico

El ácido pantoténico fue nombrado por Williams, quien reconoció su ubicua presencia en tejidos de todos los organismos y en todas las fuentes de alimento. La forma coenzima, CoA, fue descubierta mucho antes que la vitamina; las investigaciones de la subestructura de CoA llevaron a un entendimiento de cómo la coenzima era sintetizada. La CoA era conocida como un cofactor dializable esencial para la acetilación de sulfonilamida y colina. De hecho, la designación “A” en CoA reconocía la importancia de las reacciones de acetilación.

La primera pista sobre la estructura de la vitamina surgió cuando digestos de CoA con fosfatasa intestinal y extractos de hígado mostraron contener β-alanina y ácido pantoténico como productos de la hidrólisis. Tratando la CoA con una 3’-nucleotidasa específica se inactivó la coenzima a un producto conteniendo pantoteno que podría ser restaurando a CoA por adenilación con ATP. Estos estudios mostraron que el ácido pantoténico era un componente esencial de CoA y que estaba ligado a la estructura de una coenzima algo compleja.

Como un componente importante de CoA y sus derivados, el ácido pantoténico está involucrado en reacciones de acetilación, que incluyen la síntesis de aceto-acetilo-CoA, un precursor del colesterol, y la biosíntesis de citrato a partir de acetato. CoA puede participar en reacciones de tio-transferencia de acilo tales como la aceptación de grupos acilo del ácido lipoico y la formación de acetilo-CoA, así como CoAs de acilos grasos. El pantoteno también se encuentra como grupo prostético (4’-pantoteno) unido a un residuo de serina de la proteína transportadora de acilo (ACP, por sus siglas en inglés), que juega un importante papel en la biosíntesis de ácidos grasos.

Cobalamina (vitamina B12)

Pocas vitaminas han sido más complicadas para los estudios de estructura-función que la vitamina B12. Entre sus muchas características únicas, es la única coenzima vitamina conocida por tener un ion metal de transición (cobalto) coordinado a su estructura. El metal permite una química inusual.

La vitamina está presente en una variedad de alimentos, pero está casi ausente en las plantas. Aunque la vitamina puede ser sintetizada de novo por la flora intestinal, el sitio de absorción está anatómicamente antes del sitio de síntesis en el intestino, lo que significa que poco beneficio se obtiene de la síntesis endógena.

El aislamiento de la forma activa de la vitamina significó el desarrollo de un ensayo in vitro para la anemia perniciosa, una de los síntomas de deficiencia. En 1950, Shive introdujo un ensayo en el cual homocisteina era convertido a metionina en una reacción dependiente de B12. Un segundo ensayo fue esencial para la interconversión de L-glutamato y β-metilo-aspartato. El último descubrimiento llevó al aislamiento de 5’-adenosilcobalamina, la principal forma activa de la vitamina.

El núcleo de la vitamina consiste de un anillo de corrina con un átomo central de cobalto. La corrina contiene 4 anillos de pirrol unidos, lo que vagamente recuerda estructuralmente el anillo de porfirina en heme. Una forma inactiva de la vitamina contiene un grupo CN desplazable unido al cobalto; de ahí el nombre temprano cianocobalamina para una de sus formas más familiares.

El átomo de cobalto en el anillo puede tener un estado de oxidación +1, +2 o +3. La quinta valencia (debajo del plano del anillo) tiene un dimetilbencimidazol unido al cobalto y la sexta puede ser un grupo metilo, un grupo hidroxilo o un grupo 5’-desoxiadenosilo, dependiendo de la reacción o de la enzima.

La forma más común, 5’-desoxiadenosilcobalamina surge del ataque en el carbono 5’ de ATP por Co+, el cual desplaza al grupo trifosfato del ATP, una rara acción en bioquímica.

Las enzimas conocidas que requieren B12 entran en una de 2 categorías funcionales: aquellas que transfieren grupos metilo de la coenzima al sustrato, y aquellas que toman parte en los rearreglos posicionales de grupos vecinos en el sustrato o en reacciones de transferencia de grupo.

Las reacciones de metilación en los sistemas mamíferos que involucran B12 están limitadas a la transferencia de grupo metilo a homocisteina para formar metionina. N5-metilo-FH4 es el donador de grupo metilo en la reacción y B12 media la transferencia. Restaurando el grupo metilo en metionina prepara al sistema para metilación adicional, dado que la metionina misma, actuando a través de su forma activa, S-adenosilmetionina, es un donador primario de grupos metilo a otros sustratos.

Existe un interés considerable en las reacciones de la vitamina B12 que tienen radicales libres como intermediarios. Esta puede ser una de las principales ventajas de la coenzima, la habilidad para formar y retener un radical libre estable en su estructura. La estabilidad del radical libre es debida a la química inusual del ion cobalto.

Ácido ascórbico

La vitamina C (ácido L-ascórbico), ligada con el escorbuto, se conoce por ser un cofactor para 2 enzimas que participan en la biosíntesis de colágeno, la principal proteína del tejido conectivo; la formación de residuos de hidroxiprolina e hidroxilisina, catalizada por las enzimas prolil-hidroxilasa  y lisil-hidroxilasa, respectivamente. El colágeno es un componente esencial de la matriz extracelular.

Como un cofactor para dopamina-β-monooxigenasa, el ácido L-ascórbico es requerido también para la síntesis de adrenalina y noradrenalina en la médula adrenal. Otro importante papel no cofactor del L-ascorbato es como un antioxidante en células y la sangre.

Vitamina K

El papel antihemorrágico de la vitamina K había sido establecido mucho antes de darse cuenta de que la vitamina sin modificación estructural era esencial para la biosíntesis de protrombina funcional. Las 3 formas de la vitamina, filoquinona (vitamina K1),  menaquinona  (vitamina K2)  y menadiona  (vitamina K3, que es una forma sintética) difieren solamente en la estructura de sus cadenas laterales.

La vitamina K participa en una amplia serie de reacciones de carboxilación que involucran todos los residuos de ácido glutámico en la primera mitad de la protrombina, un factor de coagulación sanguínea. Los residuos de ácido carboxiglutámico o “gla” que ocupan esta región de la molécula de protrombina, son capaces de unirse a los iones calcio necesarios para catalizar la formación de trombina.

La carboxilación es dependiente de oxígeno y utiliza la forma hidroquinona de la vitamina como la fuerza regidora. La warfarina, un inhibidor de la coagulación, interfiere con la reacción de carboxilación, lo que explica el mecanismo básico de este inhibidor. Un sustrato sintético, Pro-Leu-Glu-Glu-Val substituye a protrombina en la reacción, abriendo el camino para aprender los detalles finos del mecanismo de reacción y el papel específico de la vitamina K.

 

Cofactores no vitamínicos

Además de las coenzimas-vitamina, hay varios cofactores que no cumplen la categoría general de cofactores derivados de vitamina. No obstante, estos cofactores orgánicos son componentes esenciales de los mecanismos catalíticos de enzimas importantes o sistemas de enzimas unidos a membrana.

Acido lipoico

El papel del ácido lipoico como un factor de crecimiento para microorganismos y como un cofactor para reacciones bioquímicas en todos los organismos ha quedado claro. El cofactor fue descubierto originalmente en la conversión de piruvato a acetato y como un factor esencial para la oxidación de piruvato.

El ácido lipoico es conocido por su asistencia a α-cetoácido-deshidrogenasas de una variedad de organismos. Está normalmente unido al grupo ε-amino de un residuo de lisina (análogo a biotina), permitiendo que el cofactor se extienda lejos de la superficie de la enzima.

Las reacciones que tienen lugar en el complejo piruvato-deshidrogenasa revelan mejor la función como cofactor del ácido lipoico. Como cofactor, el ácido lipoico (ácido 6,8-dithiooctanoico) existe tanto en la forma oxidada (disulfuro) como en la forma reducida. La forma disulfuro oxida el acetaldehído activo unido a TPP simultáneamente con la transferencia de un producto acetato a uno de los grupos SH del ácido lipoico ahora reducido. Como un tioester, el grupo acetato es subsecuentemente transferido a CoA formando acetilo-CoA y regenerando un grupo SH libre en el ácido lipoico.

El ácido lipoico reducido, que todavía contiene los electrones, es luego oxidado por una flavoproteína (FAD) restaurando el grupo disulfuro del ácido lipoico por otra ronda de catálisis. Eventualmente FADH2 pasa los electrones a NAD+, que se une a la cadena de transporte de electrones de las mitocondrias. El ácido lipoico es entonces un agente oxidante y un portador de acetato en la reacción. Uno puede imaginarse el largo brazo del cofactor oscilando entre sitios en las subunidades a fin de desempeñar las múltiples reacciones en sincronía con los eventos catalíticos que tienen lugar.

Carnitina

La carnitina es fácilmente sintetizada a partir de lisina. Como un cofactor, la carnitina toma parte en el sistema de enzima unido a membrana que transporta ácidos grasos hacia la mitocondria para la oxidación energética. Dos enzimas, carnitina-acilo-transferasa I y carnitina-acilo-transferasa II, comprenden un ciclo que entrega el ácido graso como un derivado de acilo-carnitina al interior de la mitocondria y regresa la carnitina al lado citosólico para transporte adicional.

La estructura de la carnitina, con su c grupo hidroxilo en C-3 es idealmente adecuado para la formación de una unión acilo con un ácido graso.

Coenzima Q (ubiquinona)

Detectada primero en los extractos lípidos de mitocondrias e identificada como una quinona, la coenzima Q (CoQ) fue llamada así para significar su papel como cofactor en reacciones de oxidación. Un segundo grupo de investigadores descubrieron un cofactor que tenía ocurrencia ubicua en procesos oxidantes, que llamaron ubiquinona. Con el tiempo se encontró que CoQ y ubiquinona eran el mismo compuesto.

Estudios tempranos en la cadena de transporte de electrones en la mitocondria mostraron al menos 3 complejos que requerían CoQ y reconocieron su papel esencial en el proceso global de transferencia de electrones. CoQ puede ser sintetizada en el hombre a partir de tirosina en una síntesis algo compleja.

CoQ y sus forma reducida, CoQH2, están diseñadas para manejar pares de electrones en tránsito en las reacciones de oxidación-reducción (redox). Una tercera forma, semiquinona (CoQH–) existe como un radical estable y es capaz de transferencia de un electrón. Debido a su habilidad para tratar con electrones en una base sencilla o en pares, CoQ participa en cadenas de transporte de electrones en donde las transferencias de 1 o 2 electrones son esenciales.

Su naturaleza lípida permite al cofactor unirse firmemente a la membrana interna de la mitocondria. Además de ser un prominente transportador de electrones en la cadena de transporte de electrones de la mitocondria, CoQ se conoce como una fuente y mediador de protones que son bombeados a través de la membrana interna de la mitocondria para formar el gradiente de protones de alta energía asociado con la fosforilación oxidante.

Pirroloquinolina quinona (PQQ) y 6-hidroxidopa (topa) quinona

Un cofactor conocido por estar presente en bacterias metilogéncias y otros microorganismos, PQQ fue inicialmente considerada un cofactor para cobre-amino-oxidasas de mamíferos y otras enzimas de cobre. Su naturaleza esencial llevó a algunos investigadores a considerar a PQQ una vitamina sin descubrir. Esto, sin embargo, resultó no ser el caso y PQQ como cofactor ahora ha sido relegado al mundo de los microorganismos. Lo que al principio se pensó que era PQQ en cobre-oxidasas resultó ser un cofactor con propiedades de quinona, derivado por modificación de un residuo de tirosina en la enzima.

La síntesis de 6-hidroxi (topa) quinona, un derivado de tirosina, requiere cobre en una reacción aparentemente autocatalítica. Aunque rara y limitada, esta reacción bioquímica altamente inusual abre un nuevo capítulo en los cofactores, mostrando que algunas enzimas tienen una capacidad limitada pero específica para sintetizar cofactores en su superficie a través de modificación de las cadenas laterales de aminoácidos existentes.

 

Otros compuestos orgánicos

Hay varios compuestos orgánicos naturales que no cumplen totalmente la descripción de cofactores, aunque han sido identificados por su participación en la estabilización de enzimas, o por tomar parte en una serie selecta de reacciones.

Se incluyen aquí en el entendido de que algunos se pueden comportar más como sustratos que como cofactores.

Glutatión

El glutatión es una tripéptido de ocurrencia natural, que se sabe existe en cantidades milimolares dentro de las células. La forma reducida (GSH) tiene grupos SH expuestos, asociados con un residuo interno de cisteína, que figura prominentemente en la estabilidad de enzimas con grupos SH en el sitio activo.

Glutatión participa en muchas reacciones biológicas como el transporte de aminoácidos, transporte de metales pesados y con la actividad antioxidante. Su papel como cofactor, sin embargo, no debe ser pasado por alto, pues GSH ha demostrado activar muchas enzimas o retener su efectividad catalítica durante los ensayos, lo que hace sospechar, con justificación, que esta podría ser una de las funciones de GSH in vivo.

Betaína

Betaína (N,N,N-trimetilglicina) surge a partir de colina por una reacción de oxidación. La estructura es una derivado trimetilo de glicina. Betaína aparece en cantidades muy pequeñas en las células y se ha demostrado que es un donador de metilo para un número limitado de reacciones, en las que se destaca la síntesis de metionina a partir de homocisteina.

S-adenosilmetionina

Considerar a S-adenosilmetionina (SAM, adomet) un cofactor es reconocer su papel en una multitud de reacciones que transfieren grupos metilo a los sustratos. Así, SAM está involucrada en una serie extensa de reacciones de metilación que sobrepasan las metilaciones de N5-metilo-FH4 o metilo-cobalamina combinadas.

El grupo metilo transferido es el carbón terminal de metionina. Para activar el grupo metilo, metionina reacciona con ATP, agregando un grupo adenosilo al átomo de azufre y causando una especie donadora de metilo de alta energía a la forma.

Aunque SAM es tal vez más un sustrato que un cofactor, su inclusión aquí es para denotar la importancia de metionina y su forma reactiva, SAM, en una serie de reacciones biosintéticas extremadamente importantes.

3’-fosfoadenosina-5’-fosfosulfato (PAPS, por sus siglas en inglés)

PAPS es un cofactor para las reacciones de sulfatación, un proceso confinado casi por completo a plantas y bacterias, pero que incluye una reacción metabólica importante en los humanos. PAPS sirve como un agente activo para la esterificación de sulfato, como en la síntesis de polisacáridos sulfatados como sulfato de condroitina, sulfato de queratina y heparina.

De las 2 docenas de cofactores orgánicos descubiertos, las estructuras de más de la mitad son derivadas de los núcleos de las vitaminas, primariamente las vitaminas hidrosolubles B. Como compañeros de las enzimas, los cofactores orgánicos se relacionan a todas las formas de vida.

Aunque tendemos a pensar que las vitaminas son requeridas solamente por los organismos superiores, muchos factores orgánicos fueron diseñados para servir exclusivamente con las enzimas, y las imperfecciones en los sistemas de enzimas que dieron a las vitaminas su carácter esencial, fueron revelados en sistemas de bacterias y levaduras mucho antes de conocerse en humanos. La permanencia de las reacciones dependientes de cofactores en microorganismos y humanos ha sido notable, una ilustración del principio estructura-función de la bioquímica.

Aún así, no debemos olvidar el hecho de que el estudio de cofactores ha brindado un enfoque más agudo en el papel de los componentes dietarios en la salud y nutrición humanas. Los nutriólogos tienen el reto de conocer todas las funciones de todos los cofactores, ya que dicha información proporciona pistas fundamentales en el plano químico que aplica a un amplio espectro de organismos a nivel molecular.