کوفاکتورهای آلی و گروه‌های پروستتیک

برخی از کوفاکتورهای آلی پس از هر واکنش آزاد نمی‌شوند، بلکه در طول کاتالیز به آنزیم متصل می‌مانند – محکم یا حتی کووالانسی. این گروه‌های پروستتیک، مانند هِم، فلاوین‌های FAD و FMN، لیپوئیک اسید، و بیوتین متصل به صورت کووالانسی، به جای کو-سوبستراهای قابل تفکیک، به بخش‌های دائمی آنزیم فعال تبدیل می‌شوند.

Definition

کوفاکتور آلی یک مولکول غیرپروتئینی حاوی کربن است که برای فعالیت آنزیم ضروری است؛ هنگامی که چنین کوفاکتوری به صورت محکم یا کووالانسی به آنزیم متصل باشد و در طول چرخه کاتالیزوری متصل بماند، به آن گروه پروستتیک گفته می‌شود، در مقابل کوآنزیم قابل تفکیک که مانند یک کو-سوبسترا عمل می‌کند.

Scope

این موضوع کوآنزیم‌های قابل تفکیک را از گروه‌های پروستتیک محکم متصل متمایز می‌کند و گروه‌های پروستتیک آلی اصلی – هِم و سایر تتراپیرول‌ها، فلاوین‌های متصل، لیپوئیک اسید، و بیوتین متصل به صورت کووالانسی – را به همراه شیمی‌ای که به آن کمک می‌کنند، بررسی می‌کند. این یک مرور کلی مرجع از بیوشیمی کوفاکتورهای آلی است، نه راهنمایی بالینی.

Core questions

• چه چیزی یک گروه پروستتیک را از یک کوآنزیم قابل تفکیک متمایز می‌کند؟
• چگونه گروه هِم اتصال اکسیژن و کاتالیز ردوکس را امکان‌پذیر می‌سازد؟
• چگونه یک کوفاکتور متصل به صورت کووالانسی مانند لیپوئیل یا بیوتینیل، واسطه‌ها را در یک کمپلکس آنزیمی جابجا می‌کند؟
• چرا برخی از فلاوآنزیم‌ها فلاوین خود را به صورت کووالانسی متصل می‌کنند؟

Key concepts

• کوآنزیم قابل تفکیک در مقابل گروه پروستتیک متصل
• هِم و سایر کوفاکتورهای تتراپیرول
• فلاوین‌های متصل به صورت کووالانسی (FAD/FMN)
• لیپوئیک اسید به عنوان یک بازوی نوسان‌گر
• بیوتین متصل به صورت کووالانسی در کربوکسیلازها
• هدایت سوبسترا در کمپلکس‌های چندآنزیمی

Mechanisms

گروه‌های پروستتیک با آنزیم باقی می‌مانند و شیمی تعریف‌شده‌ای را ارائه می‌دهند. گروه هِم – یک آهن-پورفیرین – اکسیژن را متصل و فعال می‌کند و از انتقال الکترون و اکسیژناسیون حمایت می‌کند، شیمی‌ای که در پشت هموپروتئین‌ها و آنزیم‌های هِم قرار دارد (Poulos, 2014). گروه‌های پروستتیک فلاوین (FAD و FMN)، که گاهی به صورت کووالانسی متصل هستند، به فلاووپروتئین‌ها تطبیق‌پذیری ردوکس یک و دو الکترونی مشخصه آن‌ها را می‌دهند (Macheroux et al., 2011). لیپوئیک اسید، که به صورت کووالانسی به یک باقی‌مانده لیزین متصل است، به عنوان یک «بازوی نوسان‌گر» بلند عمل می‌کند که واسطه‌های واکنش را بین جایگاه‌های فعال کمپلکس‌های 2-اکسو اسید دهیدروژناز حمل می‌کند (Reed, 2001; Solmonson & DeBerardinis, 2018). بیوتین متصل به صورت کووالانسی نقش حامل متحرک مشابهی را در کربوکسیلازها ایفا می‌کند. با نگه داشتن کوفاکتور متصل، آنزیم می‌تواند واسطه‌های واکنش‌پذیر را به جای آزاد کردن آن‌ها، موقعیت‌دهی و هدایت کند، که تصویر گسترده‌تری از چگونگی تنظیم کاتالیز توسط کوفاکتورهای متصل و جایگاه‌های فلزی را تکمیل می‌کند (Holm et al., 1996; Nelson & Cox, 2021).

Clinical relevance

هِم و گروه‌های پروستتیک مرتبط، اساس انتقال اکسیژن، تنفس، و متابولیسم زنوبیوتیک‌ها را تشکیل می‌دهند، در حالی که حامل‌های متصل به صورت کووالانسی مانند لیپوئیک اسید در دکربوکسیلاسیون اکسیداتیو در متابولیسم انرژی مرکزی هستند، بنابراین این بیوشیمی به متابولیسم و فارماکولوژی اطلاعات می‌دهد. این مدخل مکانیسم‌ها را توصیف می‌کند و مبنایی برای تشخیص یا درمان فردی نیست.

History

تمایز بین کوآنزیم‌های آزادانه تفکیک‌شونده و گروه‌های پروستتیک محکم متصل، در اوایل آنزیم‌شناسی ترسیم شد و با حل شدن ساختارهای هموپروتئین‌ها، فلاووپروتئین‌ها، و کمپلکس‌های بزرگ 2-اکسو اسید دهیدروژناز، اصلاح گردید. کارهایی که لیپوئیک اسید را به کمپلکس‌های دهیدروژناز ردیابی کردند و مطالعات ساختاری آنزیم‌های هِم نشان می‌دهند که چگونه کوفاکتورهای متصل، کاتالیز چندمرحله‌ای و هدایت‌شده را امکان‌پذیر می‌سازند (Reed, 2001; Poulos, 2014; Macheroux et al., 2011).

Seminal works

• poulos-2014
• reed-2001
• macheroux-2011
• holm-1996

Frequently asked questions

تفاوت بین کوآنزیم و گروه پروستتیک چیست؟

هر دو کوفاکتورهای آلی هستند، اما یک کوآنزیم تفکیک می‌شود و مانند یک کو-سوبسترا بازسازی می‌گردد، در حالی که یک گروه پروستتیک در طول چرخه کاتالیزوری به صورت محکم یا کووالانسی به آنزیم متصل می‌ماند.

چرا لیپوئیک اسید را بازوی نوسان‌گر می‌نامند؟

این ماده به وسیله یک پیوند انعطاف‌پذیر به آنزیم متصل است، بنابراین می‌تواند به صورت فیزیکی بین جایگاه‌های فعال مختلف یک کمپلکس چندآنزیمی نوسان کند و واسطه‌های واکنش را از یکی به دیگری بدون آزاد کردن آن‌ها حمل کند.