1 LAS COENZIMAS Y SUS FUNCIONES Muchas enzimas requieren de la cooperación de sustancias no proteicas llamadas cofactores para realizar su actividad. Una enzima sin su cofactor se denomina apoenzima la enzima completa con su cofactor se denomina holoenzima.

Hay cofactores inorgánicos que a menudo son iones, como Zn2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, Cu2+, K+, Na+; y cofactores orgánicos a los cuales se les llama coenzimas, éstas son de particular importancia en la nutrición de los mamíferos, ya que la mayoría son vitaminas hidrosolubles o se forman a partir de ellas. Mencionaremos algunas y el tipo de reacción en que participan.

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2 Coenzimas
Coenzima Nicotinamida adenindinucleótido + (NAD ) Nicotinamida adenindinucleótido + fosfato (NADP ) Flavinadenindinucleótido (FAD); flavinmononucleótido (FMN) Grupo heme del citocromo (cuando contiene hierro) Coenzima A Ejemplo de enzima Lactato deshidrogenasa Sintetasa de los ac. grasos Succinato deshidrogenasa Citocromo a1a3 Oxidorreducción Acetil CoA carboxilasa Activación y transferencia de grupos acilo Electrones Ácido pantoténico Tipo de reacción Grupo transferido Precursor de la vitamina Niacina

Oxidorreducción

H+(electrones)

Oxidorreducción

H+(electrones)

Niacina Riboflavina (B2)

Oxidorreducción

H+(electrones)

Ácido lipoico

Piruvato Transferencia de grupos deshidrogenasa acilo Piruvato Transferencia de grupos deshidrogenasa acilo Carboxilasa del piruvato Transaminasas Fijación de CO2 Transaminación de aminoácidos y otras reaccionesMetabolismo de fragmentos de un carbono Especializada CO2 Tiamina (B1) Biotina (H) Piridoxal (B6)

Pirofosfato de tiamina

Biotina

Fosfato de piridoxal Timidilato sintasa

- NH2

Ácido tetrahidrofólico Coenzimas de cobalamina

- CH3; - CH2 -; Ácido fólico o CHO B12

Las coenzimas poseen estructuras orgánicas complejas que no pueden sintetizarse por algunos organismos, en particular los mamíferos. Las vitaminas hidrosolubles, aquellas que normalmente se denominan como el complejo vitamínico B, son precursores metabólicos de diversas coenzimas razón por la que estas vitaminas son tan importantes en el metabolismo.

Principales coenzimas, características y ejemplos

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3 El dinuclétido de nicotinamida y adenina NAD+ derivado de la vitamina niacina. La porción nicotinamida es el extremo reactivo del NAD+ ya que es capaz de

reducirse y de este modo servir como agente oxidante como se muestra en el esquema

En donde R corresponde al resto de la molécula. En la reacción se añaden al anillo de nicotinamida dos electrones y un protón. La reacción puede considerarse más exacta como la transferencia de un ión hidruro

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La principal fuente de electrones para la biosíntesis reductora es el NADPH.H+ (el dinucleótido de nicotinamida y adenina fosfato reducido) el NADPH:H+
+ y el

NADH.H son idénticos respectivamente excepto que el primero tiene un grupo fosfato esterificado en el C 2del azúcar, los dos son equivalentes en su tendencia termodinámica a aceptar electrones ya que poseen estándares de reducción iguales, sin embargo las enzimas que actúan en dirección catabólica suelen usar el NADH.H+ mientras que las que actúan en rutas anabólicas usan el NADPH.H+ El NADPH.H+ no es reconocido por las enzimas de cadena respiratoria por tanto no puede ser oxidado para la producción de ATP.

Coenzimas de flavina. El dinucleótido de flavina y adenina o FAD es una de las dos coenzimas derivadas de la vitamina B2 o riboflavina. La otra es la más sencilla, mononucleótido de flavina FMN o riboflavina fosfato. La parte funcional de ambas coenzimas es el sistema del anillo isoaloxazina que actúa como aceptor de dos electrones. Los compuestos que tienen anillos de este tipo se denominan flavinas en la riboflavina y sus derivados, el sistema de anillo está unido al ribitol una versión de cadena abierta de la ribosa con el C aldehido reducido a nivel de alcohol. El C 5 del ribitol está unido al fosfato en el FMN, y el FAD es un derivado adenililado del FMN.

Las enzimas que utilizan una coenzima de flavina se denominan flavoproteínas. El FMN y FAD experimentan reacciones de transferencia de electrones

Recopilado por: Luz del Carmen Ornelas Hernández. Profesora de Bioquímica. Instituto Tecnológico de Morelia prácticamente idénticas. Las enzimas flavoproteicas se unen perfectamente al NAD y FAD.

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6 Las flavinas experimentan reacciones de óxido-reducción de dos electrones, teniendo unaespecie estable reducida de un semiquinona como se muestra en la figura. electrón, un radical libre de

Pirofosfato de Tiamina. Dado que la tiamina fue la primera de las vitaminas B que se identificó, se le denomina también vitamina B1. La estructura de la vitamina es compleja, pero su conversión en la forma de coenzima, el pirofosfato de tiamina o TPP comporta simplemente una pirofosforilación dependiente de ATP como se observa en el siguiente esquema.

DESCARBOXILACIONES El pirofosfato de tiamina es la coenzima de todas las descarboxilaciones de los α-cetoácidos, contiene dos anillos en su estructura una pirimidina sustituida y un tiazol.

El pirofosfato de tiamina en la reacción de la piruvato deshidrogenasa. El TPP es la coenzima de la reacción de la piruvato deshidrogenasa y otras descarboxilaciones no oxidativas de α−cetoácidos.

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La reacción clave es el ataque por el carbanión del TPP sobre el C carbonilo del piruvato, y va seguido de la descarboxilación no oxidativa del piruvatounido a la coenzima. Acido Lipoico. (lipoamida). En la oxidación del piruvato, el siguiente aceptor del aldehido generado por el TPP es el ácido lipoico que es el disulfuro interno del ácido 6 -ditiooctanoico. La coenzima se une a su apoenzima a través de un
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8 enlace amida que liga el grupo carbonilo del ácido lipoico a un grupo ε-amino de lisina, así pues la especie reactiva es una amida, denominadalipoamida.

La transferencia de la porción aldehido activa desde el TPP al azufre del C 6 de la lipoamida, realiza la oxidación simultanea del aldehido acoplada a la reducción del otro azufre. Ello genera un grupo acilo que se transfiere a la la coenzima A. Así pues la lipoamida es a la vez un transportador electrónico y un transportador de grupos acilo. Fosfato de piridoxal. La vitamina B 6 se descubrió en los años 1930, se aisló en forma de piridoxina a la que se dio este nombre por su semejanza estructural con la piridina. El piridoxal fosfato (PP) es la forma predominante de la
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Transaminación y descarboxilación Las necesidades nutricionales de vitamina B 6 son tan bajas que rara vez se observan estados de carencia en el ser humano. El fármaco antimicrobiano contra el bacilo tuberculoso isoniazida reacciona covalentemente con el piridoxal haciendo que éste no pueda fosforilarse por la piridoxal quinasa. El piridoxal fosfato es una coenzima muy versátil además de su intervención en las reacciones de transaminación participa en las descarboxilaciones de los aminoácidos. Los mecanismos de acción de esta coenzima se deben a Esmond Snell en 1940. Todas las enzimas que necesitan Pirofosfato actúan a través de la formación de una base de Schiff entre el aminoácido y la coenzima. Todas las reacciones conocidas de las enzimas Pirofosfato pueden describirse de la misma forma: formación de una base de Schiff plana o intermediario aldimina, seguido por la formación de un carbanión estabilizado porresonancia con una estructura quinonoide como se muestrav en la figura.

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Biotina. En los animales la reacción anaplerótica más importante, en especial en higado y riñón, es la carboxilación reversible del piruvato dependiente del ATP para dar oxalacetato. Esta reacción la cataliza la piruvato carboxilasa.

La piruvato carboxilasa es una proteína tetramérica que lleva cuatro moléculas de Biotina, cada una de las cuales está unida covalentemente a través de un enlace amida en el que participa el grupo ε-amido de un residuo de lisina.

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La piruvato carboxilasa actúa a través de un mecanismo en dos pasos, empezando con una carboxilación de la biotina dependiente del ATP, para dar Ncarboxibiotina, este derivado transfiere el grupo carboxilo directamente al piruvato como se muestra en el esquema anterior.

Coenzimas del ácido fólico. Las coenzimas derivadas de la vitamina ácido fólico participan en la generación y utilización de los grupos funcionales de un solo carbono, metilo, metileno, y formilo. La vitamina fue descubierta en los años 1930, se observó que la vitamina es abundante en los vegetales de hojas verdes como las espinacas.

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Químicamente elácido fólico se forma a partir de tres grupos distintos: un anillo de pteridina (6-metilpteridina), el ácido p-aminobenzoico (PABA) y el ácido glutámico.

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El tetrahidrofolato en el metabolismo de las unidades de un carbono. La función coenzimática del tetrahidrofolato consiste en la movilización y utilización de grupos funcionales de un carbono. Estas reaciones están implicadas en el metabolismo de la serina, glicina, metionina e histidina, en la biosíntesis de nucleótidos de purina y del grupo metilo de la timina. El tetrahidrofolato une unidades de un carbono con diferentes niveles de oxidación: en forma de metileno, metilo y formilo. Los grupos de un carbono en el tetrahidrofolato pueden transportarse en el N-5 o N-10 o formar un puente entre: N-5 y N-10

En la figura siguiente se muestran algunas de las reacciones en donde intervienen grupos funcionales de un solo carbono, formimino, metenil, formil, metilen, y metil aductos de un carbono del tetrahidrofolato.

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Coenzima A. Coenzima A y activación de grupos acilo. La coenzima A (A por acilo) participa en la activación de grupos acilo en general, entre ellos el grupo acetilo procedente del piruvato. La coenzima deriva metabólocamente del ATP, βmercaptoetilamina y la vitamina el ácido pantoténico.

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El tiol libre enla porción β-mercaptoetilamina es la parte de la molécula de la coenzima que tiene actividad funcional; el resto aporta lugares de unión de enzimas. En los derivados acilados, como la acetil-CoA el grupo acilo está ligado al grupo tilo para formar un tioester de energía elevada.

El carácter de energía elevada de los tioesteres se debe a que el enlace C-S desestabiliza la molécula del tioester, en comparación con el enlace C-O del ester que es más estable, de manera que la aˆ†G aumenta.

Una de las reacciones importantes en donde actúa la coenzima A es en el complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa y en la β-oxidación de los ácidos grasos.

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Adenosil cobalamina, Metil cobalamina. Coenzimas de la vitamina B12. La vitamina B12 se descubrió mediante los estudios de la anemia perniciosa. La sustancia activa del hígado que se denominó vitamina B12, estaba presente en éste en cantidades muy pequeñas por lo que tuvieron que pasar muchos años hasta que se aisló la cantidad suficiente para poder caracterizarla. En 1964 Hodgkin recibió el premio novel por completar la determinación de la estructura mediante rayos X. En el esquema se muestra la estructura de la vitamina B12.

El cobalto metálico está combinado con un anillo tetrapirrólico denominado anillo de corrina. El cobalto también está ligado a una base heterocíclica, el 5 dimetilbenzimidazol (DMB). Formas coenzimáticas de la vitamina B12, se conocen dos formas de la vitamina B12 con actividad coenzimática: la 5’- adenosilcobalamina fuedescubierta en 1964 por H.A. Barker, la metilcobalamina o metil-B12. Tanto la adenosilcobalamina como la metilcobalamina contienen un enlace covalente C-Co que hace que sean verdaderos productos organometálicos.
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Actualmente se conocen unas 15 reacciones diferentes en las que se requiere vitamina B12 la mayoria de la cuales se producen en unas pocas especies de bacterias que llevan a cabo fermentaciones especializadas. En los mamíferos tan solo dos reacciones se producen en grado significactivo en su metabolismo. La síntesis de metionina a partir de homocisteina como se muestra en el esquema anterior y la isomerización de la metilmalonil-CoA para dar lugar a Succinil-CoA.

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19 Es de interés también la participación de la metil- B12 en la síntesis de metano por las bacterias metanogénicas.

Methanogenesis The flammable gas methane is the product of the energy-generating metabolism of the methanogenic Archaea. Most of the methanogenesis on earth occurs in anaerobic habitats where intermediates in the breakdown of organic matter are converted to methane. You can observe the accumulation of methane in sediments in the Volta experiment. Some methanogenesis on earth today (and perhaps most of it on the ancient earth) occurs in geothermal habitats such as hydrothermal vents. This diagram shows the pathway for methanogenesis by the

'hydrogenotrophic' methanogens, which use the substrateshydrogen and carbon dioxide to make methane.

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Diagram of Methanogenesis

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Ácido ascórbico. El colágeno realiza una serie de funciones muy amplia, es la proteína más abundante en la mayoría de los vertebrados. Las fibras de colágeno forman la matriz de los huesos sobre la que precipitan los constituyentes minerales, estas fibras constituyen la mayor parte de los tendones. Básicamente el colágeno mantiene unidos a la mayoría de los animales. La unidad básica de la fibra de colágeno es la molécula de tropocolágeno una hélice triple de tres cadenas polopeptídicas, cada una de ellas con

aproximadamente 1000 residuos.

Las cadenas individuales son hélices a la izquierda con aproximadamente 3.3 residuos por vuelta. Tres de estas cadenas se enredan a la derecha unas alrededor de las otras. El examen del modelo revela que cada tercer residuo que debe encontrarse en el centro de la triple hélice solo puede ser glicina, esta formación tambien resulta favorecida por la presencia de prolina o molécula de tropocolágeno. Un conjunto que se repite es: hidroxiprolina en la

Glicina-prolina-hidroxiprolina.

Biosíntesis de prolina, hidroxiprolina y colágeno. Una función metabólica importante de la prolina es su incorporación a precursores polipeptídicos de
Recopilado por: Luz del Carmen Ornelas Hernández. Profesora de Bioquímica. Instituto Tecnológico de Morelia colágeno yotras proteínas del tejido conjuntivo en las que actúa como precursor de la hidroxiprolina. Los residuos de hidroxiprolina se generan mediante una modificación posterior a la traducción. El precursor de colágeno no hidroxilado se denomina procolágeno. En este polipéptido, un residuo de prolina es el sustrato de la procolágeno prolina hidroxilasa. Esta enzima poco habitual requiere Fe, ácido ascórbico, oxígeno molecular y αcetoglutarato el cual se oxida a succinato. El ácido ascórbico reduce al O2 con la incorporación de un átomo al succinato y el otro termina en el grupo hidroxilo de la hidroxiprolina como se observa en la reacción. Esta reacción tiene un interés especial ya que representa una de las pocas funciones bien definidas del ácido ascórbico, o vitamina C. La carencia de vitamina C o escorbuto, comporta defectos de la función del tejido conjuntivo y parece probable que estos problemas se deban a una síntesis o maduración defectuosa del colágeno en el tejido conjuntivo.

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Parte de la dureza del colágeno se debe al entrecruzamiento de las moléculas de tropocolágeno mediante una reacción de cadenas laterales de lisina. Algunas cadenas laterales de lisina se oxidan para dar lugar a derivados aldehidos que reaccionan con otro residuo de lisina madiante una condensación aldoholica y deshidratación para dar lugar a un entrecruzamiento como se muestra en el siguiente esquema.

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