Coenzym A, Pantothensäure und Carboxylaktivierung
Wie Coenzym A aus Pantothensäure, Nucleotid und Cysteamin aufgebaut ist, wie es mit ATP Carboxylgruppen als Thioester aktiviert und wie man Pantothensäure an der Struktur erkennt.
Das Wichtigste in Kürze
- Coenzym A ist ein gruppenübertragender Cofaktor aus Adenosin-3’-phosphat-5’-diphosphat, Pantothensäure und Cysteamin, der Acylgruppen überträgt.
- Die reaktive Thiolgruppe des Cysteamins liefert den Schwefel im CoA; der Nucleotid-Teil enthält Ribose.
- Carboxylgruppen werden mit ATP und CoA zum energiereichen Thioester aktiviert, etwa Acetat zu Acetyl-CoA (\(\ce{CH3-CO-S-CoA}\)).
- Die Acetyl-CoA-Synthetase bildet zuerst Acetyladenylat (ein Anhydrid), dann den Thioester; ATP wird dabei zu AMP und Diphosphat gespalten.
- Pantothensäure ist ein schwefelfreies Amid aus Pantoinsäure und β-Alanin und als einziges B-Vitamin offenkettig.
Worum es geht
Carbonsäuren sind in der Zelle reaktionsträge und müssen vor jeder Übertragung aktiviert werden. Diese Aufgabe übernimmt Coenzym A, dessen Thioester Acetyl-CoA im Zentrum des Stoffwechsels steht. Sein Vitaminbaustein Pantothensäure begegnet dir in der Apotheke als Vitamin B5 und als Provitamin Dexpanthenol in Wundsalben.
Coenzym A und Acyltransfer
Coenzym A (CoA, oft CoA-SH geschrieben) ist ein gruppenübertragender Cofaktor. Es nimmt Acylgruppen auf, also Reste \(\ce{R-CO-}\) von Carbonsäuren, und reicht sie an andere Moleküle weiter. Der wichtigste Acylrest ist der Acetylrest der Essigsäure.
Aufbau aus drei Bausteinen
Das Molekül gliedert sich in drei Teile. Der Nucleotid-Teil ist Adenosin-3’-phosphat-5’-diphosphat. Er liefert Adenin, Ribose und drei Phosphatgruppen. Über die Diphosphatbrücke hängt daran die Pantothensäure, das Vitamin im CoA. Am Ende sitzt Cysteamin, ein decarboxyliertes Cystein, mit der freien Thiolgruppe (–SH).
Die SH-Gruppe ist die eigentlich reaktive Stelle. Sie ist auch der Grund, warum CoA Schwefel enthält. Ein Nicotinamidring kommt im Molekül nicht vor, und CoA wird nicht aus Nicotinsäure gebildet. Der große Rest des Moleküls wirkt wie ein Griff, an dem Enzyme den Cofaktor erkennen und festhalten.
Der Thioester als aktivierte Carbonsäure
Ein freies Carboxylat ist ein schlechtes Acylierungsmittel. Bindet die Carboxylgruppe dagegen an die SH-Gruppe von CoA, entsteht ein energiereicher Thioester.
Ein Thioester entsteht aus einer Carbonsäure und einem Thiol und hat die Struktur \(\ce{R-CO-S-R'}\). Schwefel ersetzt hier den Alkoholsauerstoff eines gewöhnlichen Esters.
Die großen Orbitale des Schwefels überlappen schlecht mit der Carbonylgruppe. Der Thioester ist deshalb kaum mesomeriestabilisiert. Das Carbonyl-C bleibt elektrophil, und das Thiolat ist eine gute Abgangsgruppe. Die Hydrolyse liefert rund −31 kJ/mol, ähnlich viel wie die Spaltung von ATP zu ADP (siehe energiereiche Bindungen). Der Acylrest lässt sich so leicht übertragen.
Aktivierung mit ATP
Die Energie für den Thioester liefert ATP. Bei Acetat katalysiert die Acetyl-CoA-Synthetase die Reaktion, eine Ligase. Die Carboxygruppe des Substrats reagiert dabei direkt mit CoA:
- Adenylierung: Das Carboxylat greift das α-Phosphat von ATP an. Es entstehen Acetyladenylat (Acetyl-AMP) und Diphosphat.
- Thioesterbildung: Die SH-Gruppe von CoA greift das Carbonyl-C des Acetyladenylats an. Acetyl-CoA und AMP werden frei.
- Zug nach rechts: Eine Pyrophosphatase hydrolysiert das Diphosphat zu zwei Phosphat. Das macht die Gesamtreaktion praktisch irreversibel.
\[\ce{CH3COO^- + ATP + HS-CoA -> CH3CO-S-CoA + AMP + PP_i}\]
\[\ce{PP_i + H2O -> 2 P_i}\]
Weil ATP bis zum AMP gespalten wird, kostet die Aktivierung zwei energiereiche Bindungen. Weitere Cofaktoren braucht die Reaktion nicht, auch kein Pyridoxalphosphat. Nach demselben Prinzip aktiviert die Zelle langkettige Fettsäuren zu Acyl-CoA (siehe Fettsäureaktivierung).
Das Zwischenprodukt Acetyladenylat ist ein gemischtes Anhydrid aus Essigsäure und Phosphorsäure. Das Endprodukt Acetyl-CoA ist dagegen ein Thioester und kein Carbonsäureanhydrid.
Acetyl-CoA an der Struktur erkennen
In Formeln steht Acetyl-CoA meist verkürzt als \(\ce{CH3-CO-S-CoA}\). Entscheidend ist die Folge Methylgruppe, Carbonylgruppe, Schwefel. Steht ein O direkt neben dem C=O, liegt ein Sauerstoffester vor. Die Folge C=O–O–C=O kennzeichnet ein Anhydrid. In der vollständigen CoA-Formel findest du Adenin und Ribose, drei Phosphate, die gem-Dimethylgruppe der Pantothensäure, zwei Amidbindungen und am Kettenende den Schwefel.
Abgrenzung zu anderen Coenzymen
CoA überträgt Gruppen und keinen Wasserstoff. Es arbeitet daher nicht in der Endoxidation. Die Tabelle stellt es neben Coenzyme, mit denen es oft verwechselt wird (mehr bei den wasserstoffübertragenden Coenzymen und bei Biotin und PLP).
| Coenzym | Vitaminbaustein | Aufgabe |
|---|---|---|
| \(\ce{NAD(P)+}\) | Nicotinsäure | Wasserstoff (Hydrid) übertragen |
| FMN, FAD | Riboflavin | Wasserstoff übertragen |
| Pyridoxalphosphat | Pyridoxin | Aminogruppen bei der Transaminierung |
| Biotin | Biotin | \(\ce{CO2}\) bei Carboxylierungen |
| Coenzym A | Pantothensäure | Acylgruppen, Carboxylaktivierung |
Carboxylgruppen aktiviert von diesen Coenzymen allein CoA, zusammen mit ATP.
Ein Examensklassiker: Carboxylgruppen werden mit ATP und Coenzym A zum Thioester aktiviert, Musterbeispiel ist Acetyl-CoA. Achte darauf, CoA den gruppenübertragenden Cofaktoren zuzuordnen und Acetyl-CoA als Thioester zu benennen, nicht als Anhydrid.
Pantothensäure
Pantothensäure (Vitamin B5) ist der Vitaminbaustein des Coenzyms A. Chemisch ist sie ein Amid. Die Carboxygruppe der Pantoinsäure ist mit der Aminogruppe von β-Alanin verknüpft. Bei β-Alanin sitzt die Aminogruppe am dritten C-Atom, anders als bei der proteinogenen Aminosäure α-Alanin.
Pantoinsäure ist 2,4-Dihydroxy-3,3-dimethylbutansäure. Biologisch aktiv ist die D-Form. Aus dem Aufbau ergeben sich die Erkennungsmerkmale:
- offene Kette ohne jeden Ring
- gem-Dimethylgruppe, also zwei Methylgruppen am selben C-Atom
- zwei OH-Gruppen, eine primäre und eine sekundäre
- eine Amidbindung in der Kettenmitte
- endständige Carboxygruppe
- nur C, H, O und N, kein Schwefel
Unter den B-Vitaminen ist Pantothensäure als einzige offenkettig. Das macht sie in einer Reihe von Strukturen schnell auffindbar. Nicotinsäure und Pyridoxin tragen einen Pyridinring, Riboflavin das tricyclische Isoalloxazin. Thiamin und Biotin enthalten Ringe und zusätzlich Schwefel.
Pantothensäure ist schwefelfrei. Den Schwefel im Coenzym A bringt erst das Cysteamin mit.
Pantothensäure steckt in CoA und im Phosphopantethein-Arm des Acyl-Carrier-Proteins. Über CoA ist sie an der Aktivierung von Fettsäuren beteiligt. Die übrigen Coenzyme der Tabelle stammen aus eigenen Vitaminen. Wer Pantothensäure einem Elektronenüberträger der Atmungskette zuordnet, verwechselt sie mit Riboflavin. Carboxylasen arbeiten mit Biotin, die Transaminierung mit Pyridoxalphosphat.
Quiz
Aussage 1
Coenzym A gehört wie \(\ce{NAD+}\) und FAD zu den wasserstoffübertragenden Coenzymen.
Coenzym A ist ein gruppenübertragender Cofaktor. Es überträgt Acylgruppen und aktiviert Carboxylgruppen als Thioester.
Aussage 2
Der Schwefel im Coenzym A stammt aus dem Cysteaminteil mit seiner endständigen SH-Gruppe.
Cysteamin ist ein decarboxyliertes Cystein und trägt die reaktive Thiolgruppe. Pantothensäure selbst ist schwefelfrei.
Aussage 3
Die Aktivierung von Acetat zu Acetyl-CoA benötigt Pyridoxalphosphat als zusätzlichen Cofaktor.
Die Aktivierung braucht nur ATP und Coenzym A. Pyridoxalphosphat ist das Coenzym der Transaminierung.
Aussage 4
Bei der Bildung von Acetyl-CoA durch die Acetyl-CoA-Synthetase wird ATP zu AMP und Diphosphat gespalten.
Das Carboxylat greift das α-Phosphat von ATP an. Es entstehen Acetyladenylat und Diphosphat, später wird AMP frei.
Aussage 5
Acetyl-CoA ist ein gemischtes Carbonsäureanhydrid aus Essigsäure und Coenzym A.
Acetyl-CoA ist ein Thioester (\(\ce{CH3-CO-S-CoA}\)). Ein gemischtes Anhydrid ist nur das Zwischenprodukt Acetyladenylat.
Aussage 6
Unter den B-Vitaminen erkennt man Pantothensäure daran, dass sie als einzige keinen Ring besitzt.
Pantothensäure ist offenkettig. Nicotinsäure, Pyridoxin, Riboflavin, Thiamin und Biotin enthalten Ringe.
Aussage 7
Pantothensäure entsteht formal durch Amidbildung zwischen Pantoinsäure und β-Alanin.
Die Carboxygruppe der Pantoinsäure ist mit der Aminogruppe von β-Alanin zum Amid verknüpft.
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