Các Cofactor Hữu cơ và Nhóm Ngoại

Một số cofactor hữu cơ không được giải phóng sau mỗi phản ứng mà vẫn gắn chặt vào enzyme – một cách bền vững, hoặc thậm chí bằng liên kết cộng hóa trị – trong suốt quá trình xúc tác. Các nhóm ngoại này, chẳng hạn như heme, các flavin FAD và FMN, axit lipoic và biotin liên kết cộng hóa trị, trở thành một phần vĩnh viễn của enzyme hoạt động thay vì là các cơ chất phụ có thể phân ly.

Definition

Cofactor hữu cơ là một phân tử không phải protein, chứa carbon, cần thiết cho hoạt động của enzyme; khi một cofactor như vậy liên kết chặt chẽ hoặc cộng hóa trị với enzyme và vẫn gắn liền trong suốt chu trình xúc tác, nó được gọi là nhóm ngoại, trái ngược với coenzyme có thể phân ly hoạt động như một cơ chất phụ.

Scope

Chủ đề này phân biệt các coenzyme có thể phân ly với các nhóm ngoại liên kết chặt chẽ và khảo sát các nhóm ngoại hữu cơ chính – heme và các tetrapyrrole khác, flavin liên kết, axit lipoic và biotin gắn cộng hóa trị – cùng với các phản ứng hóa học mà chúng đóng góp. Đây là một tổng quan tham khảo về hóa sinh cofactor hữu cơ, không phải là hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Điều gì phân biệt một nhóm ngoại với một coenzyme có thể phân ly?
• Nhóm heme cho phép liên kết oxy và xúc tác oxy hóa khử như thế nào?
• Một cofactor gắn cộng hóa trị như lipoyl hoặc biotinyl vận chuyển các chất trung gian trong một phức hợp enzyme như thế nào?
• Tại sao một số flavoenzyme liên kết flavin của chúng bằng liên kết cộng hóa trị?

Key concepts

• Coenzyme có thể phân ly so với nhóm ngoại liên kết
• Heme và các cofactor tetrapyrrole khác
• Flavin liên kết cộng hóa trị (FAD/FMN)
• Axit lipoic như một cánh tay đòn
• Biotin gắn cộng hóa trị trong các carboxylase
• Dẫn truyền cơ chất trong các phức hợp đa enzyme

Mechanisms

Các nhóm ngoại gắn liền với enzyme và đóng góp các phản ứng hóa học xác định. Nhóm heme – một sắt-porphyrin – liên kết và kích hoạt oxy, hỗ trợ truyền điện tử và oxy hóa, là cơ sở hóa học đằng sau các hemoprotein và enzyme heme (Poulos, 2014). Các nhóm ngoại flavin (FAD và FMN), đôi khi gắn cộng hóa trị, mang lại cho các flavoprotein tính linh hoạt oxy hóa khử một và hai điện tử đặc trưng của chúng (Macheroux et al., 2011). Axit lipoic, liên kết cộng hóa trị với một gốc lysine, hoạt động như một 'cánh tay đòn' dài mang các chất trung gian phản ứng giữa các vị trí hoạt động của phức hợp 2-oxo axit dehydrogenase (Reed, 2001; Solmonson & DeBerardinis, 2018). Biotin gắn cộng hóa trị đóng vai trò vận chuyển di động tương tự trong các carboxylase. Bằng cách giữ cofactor được gắn kết, enzyme có thể định vị và dẫn truyền các chất trung gian phản ứng thay vì giải phóng chúng, bổ sung vào bức tranh rộng hơn về cách các cofactor liên kết và các vị trí kim loại điều chỉnh quá trình xúc tác (Holm et al., 1996; Nelson & Cox, 2021).

Clinical relevance

Heme và các nhóm ngoại liên quan là nền tảng của vận chuyển oxy, hô hấp và chuyển hóa xenobiotic, trong khi các chất mang liên kết cộng hóa trị như axit lipoic là trung tâm của quá trình khử carboxyl oxy hóa trong chuyển hóa năng lượng, do đó hóa sinh này cung cấp thông tin về chuyển hóa và dược lý. Mục này mô tả các cơ chế và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

History

Sự phân biệt giữa các coenzyme phân ly tự do và các nhóm ngoại gắn chặt đã được đưa ra sớm trong enzymology và được tinh chỉnh khi cấu trúc của hemoprotein, flavoprotein và các phức hợp 2-oxo axit dehydrogenase lớn được giải quyết. Công trình nghiên cứu theo dõi axit lipoic đến các phức hợp dehydrogenase và các nghiên cứu cấu trúc của enzyme heme minh họa cách các cofactor được gắn kết cho phép xúc tác đa bước, được dẫn truyền (Reed, 2001; Poulos, 2014; Macheroux et al., 2011).

Seminal works

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

Frequently asked questions

Sự khác biệt giữa coenzyme và nhóm ngoại là gì?

Cả hai đều là cofactor hữu cơ, nhưng coenzyme phân ly và được tái tạo như một cơ chất phụ, trong khi nhóm ngoại vẫn gắn chặt hoặc liên kết cộng hóa trị với enzyme trong suốt chu trình xúc tác.

Tại sao axit lipoic được gọi là cánh tay đòn?

Nó được gắn cộng hóa trị vào enzyme bằng một liên kết linh hoạt, vì vậy nó có thể di chuyển vật lý giữa các vị trí hoạt động khác nhau của một phức hợp đa enzyme, mang các chất trung gian phản ứng từ vị trí này sang vị trí khác mà không giải phóng chúng.