Les coenzymes et les cofacteurs sont des composants non protéiques que de nombreuses enzymes nécessitent pour leur activité catalytique. Les cofacteurs sont des ions inorganiques tels que les ions métalliques, tandis que les coenzymes sont des molécules organiques, souvent dérivées de vitamines, qui servent de transporteurs d’électrons, d’atomes ou de groupes fonctionnels. L’holoenzyme désigne l’enzyme complète et catalytiquement active avec son cofacteur, tandis que l’apoenzyme est la partie protéique seule.

Cofacteurs ioniques métalliques

Les ions métalliques participent à la catalyse enzymatique par de multiples mécanismes. Le zinc est un cofacteur pour plus de 300 enzymes, notamment l’alcool déshydrogénase, l’anhydrase carbonique et les métalloprotéinases matricielles. Il fonctionne comme un acide de Lewis, coordonnant les molécules de substrat et stabilisant les charges négatives. Le fer est essentiel pour les cytochromes, l’hémoglobine et les protéines à clusters fer-soufre impliquées dans le transfert d’électrons. Le magnésium est nécessaire pour toutes les kinases qui utilisent l’ATP comme substrat, formant le substrat réel MgATP. Le calcium active de nombreuses protéines de signalisation et est essentiel pour les facteurs de coagulation sanguine. Le cuivre se trouve dans la cytochrome c oxydase et la superoxyde dismutase.

NAD+ et NADH

Le nicotinamide adénine dinucléotide est dérivé de la niacine et fonctionne comme un transporteur d’ions hydrure dans les réactions d’oxydoréduction. Le NAD+ accepte deux électrons et un proton pour former le NADH. C’est l’accepteur d’électrons principal dans les voies cataboliques, notamment la glycolyse, le cycle de l’acide citrique et l’oxydation des acides gras. Le NADH donne ensuite des électrons à la chaîne de transport des électrons pour la synthèse d’ATP. Le rapport NAD+/NADH reflète l’état redox de la cellule.

NADP+ et NADPH

Le NADP+ est structurellement identique au NAD+ à l’exception d’un groupe phosphate supplémentaire sur le ribose du nucléotide adénine. Le NADPH sert de donneur d’électrons pour les biosynthèses réductrices plutôt que pour la production d’énergie. Il fournit des équivalents réducteurs pour la synthèse des acides gras, la synthèse du cholestérol et la réduction du glutathion. La voie des pentoses phosphates est la source principale de NADPH, et le rapport élevé NADPH/NADP+ dans le cytosol entraîne les réactions biosynthétiques.

FAD et FMN

La flavine adénine dinucléotide et la flavine mononucléotide sont dérivées de la riboflavine et fonctionnent comme des transporteurs d’électrons dans les réactions d’oxydoréduction. Contrairement aux NAD+, les flavines peuvent transférer un ou deux électrons et peuvent exister sous forme complètement oxydée, semiquinone ou complètement réduite. Le FAD est étroitement lié à des enzymes telles que la succinate déshydrogénase dans le cycle de l’acide citrique et l’acyl-CoA déshydrogénase dans l’oxydation des acides gras. Le FMN est un cofacteur dans le complexe I de la chaîne de transport des électrons.

Coenzyme A

La coenzyme A est dérivée de l’acide pantothénique et fonctionne comme un transporteur de groupes acyle. Le groupe thiol terminal forme des liaisons thioester avec les acides carboxyliques, créant des molécules d’acyl-CoA activées. L’acétyl-CoA est le métabolite central reliant le métabolisme des glucides, des lipides et des protéines. Le succinyl-CoA est un intermédiaire du cycle de l’acide citrique. Les dérivés d’acyl-CoA sont les substrats activés pour l’oxydation et la synthèse des acides gras.

Thiamine pyrophosphate

La thiamine pyrophosphate est dérivée de la vitamine B1 et sert de cofacteur pour les enzymes catalysant la décarboxylation des alpha-cétoacides et les réactions de transcétolation. Elle fonctionne en stabilisant l’intermédiaire carbanion formé après la décarboxylation. La pyruvate déshydrogénase, l’alpha-cétoglutarate déshydrogénase, la transcétolase et la pyruvate décarboxylase nécessitent toutes la TPP.

Phosphate de pyridoxal

Le phosphate de pyridoxal est dérivé de la vitamine B6 et est essentiel pour toutes les réactions impliquant des transformations d’acides aminés. Il forme une base de Schiff avec les acides aminés, stabilisant les intermédiaires pour la transamination, la décarboxylation et la racémisation. Les transaminases utilisent le PLP pour transférer les groupes aminés entre les acides aminés et les alpha-cétoacides, reliant le métabolisme des acides aminés au cycle de l’acide citrique.

Biotine

La biotine fonctionne comme un transporteur de dioxyde de carbone activé dans les réactions de carboxylation. Elle est attachée de manière covalente aux carboxylases par l’intermédiaire d’un résidu lysine. Les enzymes biotine-dépendantes comprennent l’acétyl-CoA carboxylase, la pyruvate carboxylase et la propionyl-CoA carboxylase. L’enzyme biotinylée capture le CO2 sous forme de carboxybiotine et le transfère au substrat accepteur.

Tétrahydrofolate

Le tétrahydrofolate est dérivé de l’acide folique et fonctionne comme un transporteur d’unités monocarbonées dans divers états d’oxydation. Il participe à la synthèse des nucléotides, au métabolisme des acides aminés et aux réactions de méthylation. Le cycle du folate fournit les unités carbonées nécessaires à la synthèse des purines et du thymidylate, ce qui en fait une cible pour les médicaments anticancéreux tels que le méthotrexate.