Coenzyme und Cofaktoren sind Nicht-Protein-Komponenten, die viele Enzyme für die katalytische Aktivität benötigen. Cofaktoren sind anorganische Ionen wie Metallionen, während Coenzyme organische Moleküle sind, die oft von Vitaminen abstammen und als Träger von Elektronen, Atomen oder funktionellen Gruppen dienen. Holoenzym bezeichnet das vollständige, katalytisch aktive Enzym mit seinem Cofaktor, während Apoenzym der Proteinanteil allein ist.

Metallionen-Cofaktoren

Metallionen wirken auf verschiedene Weise an der Enzymkatalyse mit. Zink ist ein Cofaktor für über 300 Enzyme, darunter Alkoholdehydrogenase, Carboanhydrase und Matrix-Metalloproteinasen. Es fungiert als Lewis-Säure, koordiniert Substratmoleküle und stabilisiert negative Ladungen. Eisen ist essentiell für Cytochrome, Hämoglobin und Eisen-Schwefel-Cluster-Proteine, die an der Elektronenübertragung beteiligt sind. Magnesium wird für alle Kinasen benötigt, die ATP als Substrat verwenden, und bildet das eigentliche Substrat MgATP. Calcium aktiviert viele Signalproteine und ist essentiell für Blutgerinnungsfaktoren. Kupfer findet sich in der Cytochrom-c-Oxidase und der Superoxiddismutase.

NAD+ und NADH

Nicotinamidadenindinukleotid wird aus Niacin gewonnen und fungiert als Träger von Hydridionen bei Oxidations-Reduktions-Reaktionen. NAD+ nimmt zwei Elektronen und ein Proton auf, um NADH zu bilden. Es ist der primäre Elektronenakzeptor in katabolen Stoffwechselwegen, einschließlich der Glykolyse, des Citratzyklus und der Fettsäureoxidation. NADH gibt dann Elektronen an die Atmungskette für die ATP-Synthese ab. Das NAD+/NADH-Verhältnis spiegelt den Redoxzustand der Zelle wider.

NADP+ und NADPH

NADP+ ist strukturell mit NAD+ identisch, mit Ausnahme einer zusätzlichen Phosphatgruppe an der Ribose des Adeninnukleotids. NADPH dient als Elektronendonor für reduktive Biosynthesen statt für die Energieproduktion. Es liefert Reduktionsäquivalente für die Fettsäuresynthese, die Cholesterinsynthese und die Reduktion von Glutathion. Der Pentosephosphatweg ist die Hauptquelle von NADPH, und das hohe NADPH/NADP+-Verhältnis im Cytosol treibt biosynthetische Reaktionen an.

FAD und FMN

Flavinadenindinukleotid und Flavimmononukleotid werden aus Riboflavin gewonnen und fungieren als Elektronenüberträger bei Oxidations-Reduktions-Reaktionen. Im Gegensatz zu NAD+ können Flavine ein oder zwei Elektronen übertragen und in vollständig oxidierter, Semichinon- oder vollständig reduzierter Form vorliegen. FAD ist fest an Enzyme gebunden wie die Succinat-Dehydrogenase im Citratzyklus und die Acyl-CoA-Dehydrogenase in der Fettsäureoxidation. FMN ist ein Cofaktor im Komplex I der Atmungskette.

Coenzym A

Coenzym A wird aus Pantothensäure gewonnen und fungiert als Träger von Acylgruppen. Die terminale Thiolgruppe bildet Thioesterbindungen mit Carbonsäuren und erzeugt aktivierte Acyl-CoA-Moleküle. Acetyl-CoA ist der zentrale Metabolit, der den Kohlenhydrat-, Fett- und Proteinstoffwechsel verbindet. Succinyl-CoA ist ein Zwischenprodukt des Citratzyklus. Acyl-CoA-Derivate sind die aktivierten Substrate für die Fettsäureoxidation und -synthese.

Thiaminpyrophosphat

Thiaminpyrophosphat wird aus Vitamin B1 gewonnen und dient als Cofaktor für Enzyme, die die Decarboxylierung von Alpha-Ketosäuren und Transketolierungsreaktionen katalysieren. Es funktioniert durch Stabilisierung des Carbanion-Zwischenprodukts, das nach der Decarboxylierung entsteht. Die Pyruvat-Dehydrogenase, Alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase, Transketolase und Pyruvat-Decarboxylase benötigen alle TPP.

Pyridoxalphosphat

Pyridoxalphosphat wird aus Vitamin B6 gewonnen und ist essentiell für alle Reaktionen, die Aminosäureumwandlungen betreffen. Es bildet eine Schiff-Base mit Aminosäuren und stabilisiert Zwischenprodukte für Transaminierung, Decarboxylierung und Racemisierung. Transaminasen verwenden PLP, um Aminogruppen zwischen Aminosäuren und Alpha-Ketosäuren zu übertragen und verbinden so den Aminosäurestoffwechsel mit dem Citratzyklus.

Biotin

Biotin fungiert als Träger von aktiviertem Kohlendioxid in Carboxylierungsreaktionen. Es ist kovalent über einen Lysinrest an Carboxylasen gebunden. Zu den Biotin-abhängigen Enzymen gehören die Acetyl-CoA-Carboxylase, die Pyruvat-Carboxylase und die Propionyl-CoA-Carboxylase. Das biotinylierte Enzym fängt CO2 als Carboxybiotin ein und überträgt es auf das Akzeptorsubstrat.

Tetrahydrofolat

Tetrahydrofolat wird aus Folsäure gewonnen und fungiert als Träger von Ein-Kohlenstoff-Einheiten in verschiedenen Oxidationsstufen. Es ist an der Nukleotidsynthese, dem Aminosäurestoffwechsel und Methylierungsreaktionen beteiligt. Der Folatzyklus liefert die Kohlenstoffeinheiten, die für die Purin- und Thymidylatsynthese benötigt werden, was ihn zu einem Ziel für Krebsmedikamente wie Methotrexat macht.