Chimie

Cofacteurs et Coenzymes

Cofacteurs et Coenzymes


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Vitamines comme coenzymes

Les vitamines sont des oligo-éléments organiques qui jouent un rôle important dans les processus biologiques. Certains organismes ne peuvent pas produire eux-mêmes certaines vitamines et doivent donc les ingérer par la nourriture.Beaucoup de vitamines hydrosolubles sont des composants de diverses coenzymes.

Tab.2
Coenzymes à transmission de groupe
CoenzymeabréviationGroupe transféréVitaminesfonction
L'adénosine triphosphateATPAcide phosphorique / AMPRéactions d'activation
Phospho-adénosine-phospho-sulfatePAPSRésidu de sulfateSulfate de sucre aminé, détoxification
Phosphate de pyridoxalPLPGroupe Aminovitamine B6 (Pyridoxine)Transamination, désamination
Cytidine triphosphateCTPpar exemple la phosphocholineBiosynthèse des phospholipides
Uridine triphosphateUTPSucre, acide uroniqueBiosynthèse du glycogène, biosynthèse des oligosaccharides, détoxification
Coenzymes pour C.1-Transfert
S.Adénosyl méthionineSAMGroupe méthyleméthionine activeMéthylation, par exemple de l'adrénaline, de l'éthanolamine
Acide tétrahydrofoliqueTHFGroupe formyleL'acide folique (B.2-Complexe)Biosynthèse des purines, thymidine, hydroxylations
BiotineGroupes carboxyliques (CO2)Vitamine H (complexe de vitamines B)Biosynthèse des acides gras, pyruvate carboxylase, formation de malonate de méthyle à partir de propionyl-CoA
Coenzymes pour C.2-Transfert
Coenzyme ACoAGroupes acétyle, groupes acyleL'acide pantothénique (B.2-Complexe)Activation de l'acétate et des acides gras
diphosphate de thiamineTPPC.2-Groupes d'aldéhydesvitamine B1 (thiamine)décarboxylation oxydative, transcétolases
Tableau 3
Groupes actifs pour les isomérases et les lyases
Coenzymeabréviationréactionvitaminefonction
Uridine triphosphateUTPIsomérisation du sucreUtilisation du galactose
Phosphate de pyridoxalPLPDécarboxylationvitamine B6 (Pyridoxole)Décarboxylation des acides aminés
diphosphate de thiamineThPPDécarboxylationvitamine B1 (thiamine)Pyruvate décarboxylase
CobalaminesB.12Réarrangementvitamine B12Décomposition des acides gras impairs (malonate de méthyle)

Cofacteurs et Coenzymes - Chimie et Physique

Le nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADP) et le nicotinamide adénine dinucléoïde (NAD+) ne diffèrent que par un groupe phosphoryle à la position 2' de l'adénosine. Ils ne diffèrent pas en termes de potentiel redox. Au cours du métabolisme catabolique, le NAD+ est principalement utilisé comme accepteur d'électrons. Les électrons sont finalement transférés à un accepteur d'électrons terminal (par exemple l'oxygène) dans la chaîne respiratoire. Le NADPH est utilisé comme donneur d'électrons dans des voies de synthèse réductrices. Comme il existe des exigences différentes en ce qui concerne les potentiels redox pour les fonctions respectives au sein des cellules, les paires redox NAD + / NADH ou NADP + / NADPH sont présentes dans des rapports différents les unes par rapport aux autres. Le groupe phosphoryle supplémentaire sert à différencier les deux « pools redox ».

Si NAD+ ou NADP+ sont impliqués dans une réaction, la réduction du nicotinamide conduit à une perte du système aromatique. Ce processus peut être suivi spectroscopiquement en modifiant l'absorption à 340 nm. Étant donné que la conversion du NAD + ou du NADH a lieu dans un rapport stoechiométrique avec un autre substrat, des conclusions peuvent être tirées sur la quantité de substrat présent en fonction du changement d'absorption (si le NAD + ou le NADP + sont en excès).

Les nucléotides nicotinamides ne sont pas fermement liés par les enzymes, c'est-à-dire qu'après la réaction sur l'enzyme ils s'en dissocient à nouveau (fonctionnent comme un co-substrat). Les nucléotides flavines, en revanche, sont très étroitement liés, dans certains cas de manière covalente, par les enzymes. Lorsque de telles enzymes sont purifiées, colorées, principalement rouge jaunâtre, des préparations sont obtenues. Les nucléotides nicotinamides sont engagés dans le transfert d'un ion hydrure. En revanche, les flavoprotéines peuvent transférer des électrons les unes après les autres et ainsi servir de médiateur entre les réactions avec transfert d'ions hydrure et les simples transferts d'électrons.

Le squelette de l'isoalloxazine a un nuage d'électrons mobile. Selon l'environnement immédiat de ce système, les électrons peuvent être déplacés dans certaines zones et ainsi le potentiel redox peut être influencé en des points distincts. Dans la charpente isoalloxazine, la structure basique de la pyrimidine est déficiente en électrons à l'état oxydé. Le voisinage immédiat de groupes chargés positivement réduit encore la densité électronique, entraînant une augmentation de l'affinité électronique (potentiel redox plus élevé). A l'état réduit, la charge négative est répartie sur le cycle pyrimidine avec les N5 et N10 adjacents (à l'état réduit, la flavine peut être déprotonée en N1 ou N5). Des charges positives au voisinage immédiat du cycle pyrimidine stabilisent la forme réduite. A l'inverse, des charges négatives, mais aussi un environnement hydrophobe, réduisent le potentiel redox. Cette "contrôlabilité" du potentiel redox et la capacité de médiation entre un et deux transferts d'électrons font des flavoprotéines des transporteurs d'électrons idéaux entre le pool NAD (P) H et d'autres systèmes redox (protéines FeS, cytochromes, etc.).

À l'état réduit (GSH), le glutathion est un tripeptide constitué des acides aminés glutamate, cystéine et glycine. La synthèse est réalisée de manière non ribosomique par deux synthétases à partir des acides aminés libres. Les principales fonctions du glutathion sont :

Maintenir les protéines cytoplasmiques à un état réduit (prévention de la formation de ponts disulfures ou de l'oxydation du groupe SH de la cystéine). Ces réactions sont catalysées par la glutarédoxine, qui transfère les électrons du glutathion au substrat.

La glutathion peroxydase intercepte les peroxydes toxiques et les radicaux libres.

Marquage de diverses substances pour une élimination ciblée par couplage avec du glutathion. Les électrons utilisés pour réduire le glutathion oxydé (GSSG) en GSH proviennent du NADPH. La réduction du glutathion est catalysée par la glutathion réductase.

Les protéines fer-soufre sont des protéines avec des amas fer-soufre. Dans ces structures, les ions fer sont complexés comme une cage avec du soufre inorganique (sulfure) (S2–). Les amas fer-soufre sont principalement utilisés pour transporter des électrons, le fer changeant de valence.

Les amas fer-soufre, cependant, ne sont pas des structures rigides. L'association avec d'autres ions métalliques peut entraîner des changements structurels de grande envergure ("propriétés du capteur", par exemple dans le stockage intracellulaire du fer et probablement aussi pour le NO, l'O2 et l'O2–).

D'autres fonctions des protéines fer-soufre sont la liaison de substrats (par exemple l'aconitase) et fonctionnent comme un motif structurant ou stabilisant.

Les protéines fer-soufre sont omniprésentes. Dans les cellules eucaryotes, l'occurrence est limitée aux mitochondries.

Le molybdène est utilisé avec le cofacteur de molybdène (Mo-Co) dans des réactions d'oxydoréduction pour le transfert d'électrons (exception : la nitrogénase ici, le molybdène est intégré dans un amas fer-soufre). Le molybdène peut prendre différents états d'oxydation (entre VI et IV). En raison de cette propriété, les enzymes contenant du molybdène peuvent servir d'intermédiaire entre les systèmes de transfert à un et deux électrons. Les réactions catalysées par le molybdène se produisent principalement dans le métabolisme de l'azote et du soufre (par exemple, la sulfite oxydase, l'oxydation du sulfite en sulfate).

Le molybdène est un métal de transition du 6e groupe (sous-groupe) du tableau périodique. Le tungstène appartient également au même groupe - c'est une période en dessous du molybdène. Les deux éléments ont une configuration électronique comparable et peuvent donc catalyser des réactions analogues. La restriction de l'utilisation du tungstène aux organismes anaérobies réside probablement dans l'instabilité des complexes de tungstène en présence d'oxygène.

Les cytochromes et les protéines hèmes ont un ion fer complexé par la porphyrine. Les cytochromes sont des enzymes de transfert d'électrons au cours de la catalyse, le niveau d'oxydation de l'ion fer change. Par exemple, dans les cytochromes b et c de la chaîne respiratoire, les points de coordination du fer sont complètement occupés. L'ajout d'un autre ligand n'est pas possible (par exemple le cyanure ou le monoxyde de carbone, mais cela ne s'applique pas au cytochrome a, le porteur d'électrons terminal de la chaîne respiratoire). Les protéines hémiques sont principalement utilisées pour transporter l'oxygène, ce qui se fixe au groupe hème, mais il n'y a pas de changement dans l'état d'oxydation du fer. Dans l'hémoglobine, un site de coordination pour le fer est toujours accessible, qui peut être utilisé pour la fixation d'un ligand. Par exemple, le monoxyde de carbone a une affinité plus élevée que l'oxygène, donc la liaison du monoxyde de carbone empêche la liaison de l'oxygène. Une oxydation du fer hémique en Fe3+ (par exemple par des chlorates) inactive l'hémoglobine.

Hème, sirohème, chlorophylles, chlorophylles bactériennes, facteur 430. Les cobalamines sont basées sur le système cyclique corrine, qui est également un tétrapyrrole cyclique, mais pas une porphyrine.

Transfert de groupe phosphoryle, par exemple par des kinases.

Transfert de phyrophosphate, par exemple formation de diphosphate de thiamine.

Transfert d'adénosine, par exemple dans la formation de SAM.

Transfert d'AMP aux groupes carboxyle, par exemple lors du chargement d'ARNt avec des acides aminés.

Utiliser comme bloc de construction, par exemple dans la synthèse d'ARN (transfert d'AMP).

Le transfert du groupe phosphoryle terminal est associé à un changement fortement négatif de l'enthalpie libre. De telles propriétés se retrouvent également dans d'autres anhydrides d'acides mixtes (par exemple, le phosphate de carbamoyle). Contrairement à l'ATP, cependant, ceux-ci ont tendance à s'hydrolyser spontanément en solution aqueuse. L'hydrolyse de l'ATP est "inhibée cinétiquement" et l'énergie d'activation ne peut être surmontée sans l'aide d'enzymes. D'autres nucléotides ont également cette propriété et peuvent donc être utilisés pour activer d'autres substances.

Le sulfate est nécessaire, par exemple, pour la formation des acides aminés soufrés cystéine et méthionine. Il y a d'abord une conjugaison avec l'AMP avec formation d'adénosine phosphosulfate (APS). La phosphorylation sur le ribose donne le phosphoadénosine phosphosulfate (PAPS). C'est la forme sous laquelle le sulfate est réduit. Le PAPS sert de coenzyme de transfert de groupes sulfate, par exemple dans les biotransformations, afin d'augmenter la solubilité dans l'eau des "déchets étrangers" ou "déchets" dans le but d'améliorer l'excrétion (réaction de détoxification). Le PAPS est également nécessaire à la formation d'autres substances contenant du sulfate, par exemple des sulfolipides.

L'UDP sert de support pour le sucre et ses dérivés (sucre aminé, acides uroniques). Le CDP transfère l'éthanolamine, la choline, l'acide phosphatidique et des composés analogues dans le métabolisme des phospholipides.

Tétrahydrofolate (THF), S-adénosyl méthionine (SAM), cobalamine. Dans les bactéries méthanogènes, la coenzyme M, la coenzyme B (CoB, HS-HPT) et la tétrahydrométhanoptérine (H4MTP) sont également utilisées.

La S-adénosylméthionine (SAM) est produite en transférant la méthionine à l'ATP avec séparation de tous les groupes phosphate. Le groupe méthyle de SAM est lié par une structure réactive de sulfonium. SAM est le porteur de groupe méthyle le plus important dans les cellules. Les méthylations ont lieu par exemple sur l'ADN ou sur la phosphatidyléthanolamine pendant la formation de la phosphatidylcholine. En plus de sa fonction de porteur de groupe méthyle, la SAM peut également être utilisée par certaines enzymes pour la génération ciblée de radicaux. Au cours de la réaction, il se forme de la méthionine et un radical 5'-désoxyadénosyle (voir réactions de la coenzyme B12). De telles enzymes, désignées collectivement sous le nom d'enzymes radicalaires SAM, se produisent par exemple dans la synthèse de la biotine.

Les principales sources de fragments C1 sont la sérine et la glycine. De plus, lorsque de nombreux composés sont décomposés, les fragments Cl sont transférés au THF. Le THF est particulièrement adapté pour "collecter" de tels fragments, car il peut lier les fragments Cl dans différents états d'oxydation. Ceux-ci peuvent ensuite être convertis les uns dans les autres.

La biotine est nécessaire pour le transfert des groupes carboxyle (par exemple pyruvate carboxylase : formation de 2-oxaloacétate à partir de pyruvate et de HCO3–, acétyl-CoA carboxylase : formation de malonyl-CoA à partir d'acétyl-CoA et de HCO3–). Les carboxylations se déroulent via une étape intermédiaire de carboxybiotine, pour la formation de laquelle l'ATP est nécessaire. A l'inverse, la décarboxylation d'un composé peut être associée à une performance de travail (ex. décarboxylation des β-cétoacides avec exportation simultanée d'ions Na. La biotine est formée par des micro-organismes (bactéries, levures) et des plantes supérieures. Elle est essentielle pour les animaux et les humains ("Vitamine H").

Les protéines avidine et streptavidine se lient à la biotine avec une très grande affinité. Étant donné que la biotine est liée de manière covalente aux enzymes respectives, une purification des enzymes contenant de la biotine peut avoir lieu à l'aide d'avidine ou de streptavidine immobilisée (chromatographie d'affinité). L'élution de la matrice a lieu par compétition avec la biotine libre ou - en raison de la forte affinité - dans des conditions dénaturantes.

Le phosphate de pyridoxal est la coenzyme centrale dans le métabolisme des acides aminés. Les réactions commencent par la formation d'une base de Schiff à partir du phosphate de pyridoxal et du groupe amino de l'acide aminé. A partir de là, il existe différents chemins de réaction. Les liaisons de l'atome de carbone ou également de l'atome de carbone de l'acide aminé lié peuvent être rompues. Le type de réaction effectuée dépend de l'enzyme particulière. Ceux-ci alignent la base du navire en fonction des différentes exigences.

La coenzyme A (acétyl-CoA) est le vecteur le plus important des groupes acétyle. Il y a un « pool » d'acétyl-CoA dans les cellules. Ce pool est alimenté par de nombreuses voies métaboliques cataboliques, telles que la dégradation des glucides, de certains acides aminés et acides gras. De nombreux composés de ce pool sont également utilisés pour la synthèse, par exemple, de la formation de cholestérol ou d'acides gras. L'acétyl-CoA sert également de support pour d'autres résidus d'acide carboxylique, par exemple dans la dégradation des acides aminés après la décarboxylation oxydative.

La plupart des micro-organismes, y compris les bactéries pathogènes, sont capables de produire les cofacteurs essentiels pour l'homme. Ces cofacteurs sont bien entendu également requis par les micro-organismes eux-mêmes. La voie de synthèse de tels cofacteurs offre ainsi un point d'attaque potentiel pour le développement d'antibiotiques. Un exemple réussi est celui des sulfamides, qui inhibent la synthèse du folate.

Les réactions avec les cobalamines et le facteur 430 sont les seuls exemples connus en biologie dans lesquels des composés organométalliques intermédiaires sont formés.


Sélectivité de réaction des enzymes par catalyse négative ou comment les enzymes traitent-elles les intermédiaires hautement réactifs ?

János Rétey, né à Szeged (Hongrie) en 1934, a étudié la chimie à l'ETH de Zurich de 1957 à 1960 et y a obtenu son doctorat en 1963 sous la direction de V. Prelog sur la stéréospécificité des oxydo réductases. Après des années postdoctorales avec E Lynen (Munich, 1963-1965) et D. Arigoni (ETH Zurich, 1965-1968), il devient assistant principal et maître de conférences à l'ETH Zurich. Depuis 1972, il est professeur de biochimie à l'Université de Karlsruhe. En 1971, il reçoit le prix Alfred Werner de la Société suisse de chimie. Ses domaines de travail sont : le mode d'action et la stéréospécificité des enzymes, les modèles enzymatiques synthétiques. Chimie bio-organique et bio-inorganique ainsi que l'étude de la structure enzymatique avec des méthodes de biologie moléculaire.

Chaire de biochimie à l'Institut de chimie organique de l'Université de Richard-Willstätter-Allee, D-7500 Karlsruhe 1Rechercher d'autres articles de cet auteur

Chaire de biochimie à l'Institut de chimie organique de l'Université de Richard-Willstätter-Allee, D-7500 Karlsruhe 1

János Rétey, né à Szeged (Hongrie) en 1934, a étudié la chimie à l'ETH de Zurich de 1957 à 1960 et y a obtenu son doctorat en 1963 sous la direction de V. Prelog sur la stéréospécificité des oxydo réductases. Après des années postdoctorales avec E Lynen (Munich, 1963-1965) et D. Arigoni (ETH Zurich, 1965-1968), il devient assistant principal et maître de conférences à l'ETH Zurich. Depuis 1972, il est professeur de biochimie à l'Université de Karlsruhe. En 1971, il reçoit le prix Alfred Werner de la Société suisse de chimie. Ses domaines de travail sont : le mode d'action et la stéréospécificité des enzymes, les modèles enzymatiques synthétiques. Chimie bio-organique et bio-inorganique ainsi que l'étude de la structure enzymatique avec des méthodes de biologie moléculaire.

Chaire de biochimie à l'Institut de chimie organique de l'Université de Richard-Willstätter-Allee, D-7500 Karlsruhe 1Rechercher d'autres articles de cet auteur

Résumé

Notre compréhension actuelle de la catalyse enzymatique est basée sur celle de Linus Pauling discuté pour la première fois en 1946 hypothèse de la liaison de l'état de transition. Cette liaison de l'état de transition et l'interaction de groupes catalytiquement actifs convenablement placés peuvent largement expliquer à la fois l'accélération et la spécificité de nombreuses réactions enzymatiques, à condition que des réactions chimiques analogues à celles-ci soient connues. On pense que les enzymes recourent à une astuce supplémentaire dans les réactions chimiquement « difficiles » ou « improbables » ︁. En utilisant des cofacteurs à haut potentiel énergétique tels que la coenzyme B12, radicaux stabilisés ou légers, ils peuvent transformer le substrat lié en un intermédiaire extrêmement réactif et instable. La sélectivité dans ce cas passe par catalyse négative ce qui empêche l'intermédiaire ︁ « chaud » de réagir comme il le ferait en solution ou en phase gazeuse. En prolongeant sa durée de vie, l'intermédiaire hautement réactif peut entrer dans des réactions dont les énergies d'activation sont relativement élevées et qui seraient donc supprimées sans catalyse négative. La sélectivité de telles réactions est donc déterminée davantage en empêchant les réactions indésirables qu'en favorisant la réaction cible réelle. La conversion en étapes intermédiaires très réactives peut être réversible, comme c'est le cas avec la coenzyme B, par exemple12 est le cas, ou irréversible si elle est causée par la lumière ou l'ATP. Les intermédiaires hautement réactifs sont souvent des radicaux, mais peuvent également être d'autres intermédiaires instables. Un certain nombre de réactions enzymatiques qui peuvent être expliquées par une catalyse négative sont discutées dans cette revue.

Résumé

Qu'un substrat est mieux lié à l'état de transition qu'à l'état fondamental, est la partie la plus importante pour expliquer la plupart des réactions enzymatiques. On connaît de plus en plus de conversions enzymatiques qui passent par des intermédiaires hautement réactifs, notamment des radicaux, et dans lesquelles l'enzyme empêche les intermédiaires de réagir le plus rapidement possible. La sélectivité de telles réactions est donc davantage due à la prévention des conversions indésirables qu'à la promotion de la réaction cible réelle. La réaction méthylmalonyl-CoA mutase [Eq. (une)].


Master : Biochimie Microbienne I

Prof: Prof. Dr. Antonio J. Pierik

Lien vers kis: Vois ici

Lorsque?: Semestre d'été

Où et quand?:

Zoom SS2021, les mardis, de 15h00 à 17h00.

Contenu du cours Biochimie microbienne I:

  • Enzymes radicales SAM et radicaux glycyles
  • Hydrogénases
  • Nitrogénases
  • Méthanogenèse
  • Réduction des sulfates
  • Fermentation des acides aminés
  • Sélénocystéine et pyrrolysine
  • Biotechnologie

(Accès via login avec nom et mot de passe, sera annoncé dans la conférence)


Vidéo: Enzymes. Holoenzyme Vs Apoenzyme. Cofactor Vs Coenzyme. Active Site (Juin 2022).