Biokatalysatoren

Cofaktoren: Einteilung und Herkunft aus Vitaminen

Cofaktoren lassen sich danach einteilen, ob sie Wasserstoff oder chemische Gruppen übertragen und ob der Mensch sie selbst bildet oder dafür ein Vitamin braucht.

Prüfungsrelevanz: sehr wichtig ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Cofaktoren sind Nicht-Protein-Helfer von Enzymen. Organische Cofaktoren heißen Coenzyme und sind entweder fest gebundene prosthetische Gruppen oder locker gebundene Cosubstrate.
  • Wasserstoffübertragend arbeiten \(\ce{NAD+}\), FAD, FMN, Liponsäure und Ubichinon bei Redoxreaktionen.
  • Gruppenübertragend sind CoA (Acyl), PLP (Amino), SAM (Methyl), TPP (C2-Einheit), Cobalamin, THF, Biotin und UDP (Zucker). Ferredoxin ist ein Eisen-Schwefel-Protein, kein Coenzym.
  • FAD, FMN, PLP, THF, TPP und CoA bildet der Mensch nur aus Vitaminvorstufen, Ubichinon und UDP synthetisiert er de novo.
  • Tetrahydrofolsäure besteht aus Pteridin, 4-Aminobenzoesäure und Glutamat. Phyllochinon ist Cofaktor der γ-Carboxylierung von Gerinnungsfaktoren, Tocopherole sind keine Cofaktoren.

Worum es geht

Viele Enzyme arbeiten nur mit einem kleinen Helfermolekül, das bei der Reaktion etwas aufnimmt oder abgibt. Diese Cofaktoren ordnet man nach ihrer Aufgabe und nach ihrer Herkunft. Das erklärt, warum ein Vitaminmangel ganze Stoffwechselwege lahmlegt und warum Sulfonamide Bakterien treffen, den Menschen aber verschonen.

Coenzyme und prosthetische Gruppen

Ein Enzym besteht oft aus einem Proteinanteil und einem Cofaktor. Ist dieser Cofaktor ein kleines organisches Molekül, nennt man ihn Coenzym. Es wird bei der Reaktion selbst chemisch verändert.

📖 Definition: Coenzym

Ein Coenzym ist ein niedermolekularer, organischer Nicht-Protein-Anteil eines Enzyms. Es überträgt Wasserstoff, Elektronen oder chemische Gruppen und muss danach regeneriert werden.

Wie fest das Coenzym am Protein sitzt, bestimmt seinen Namen. Eine prosthetische Gruppe ist fest, oft kovalent gebunden. Ein Cosubstrat bindet dagegen nur locker und verlässt das Enzym nach der Reaktion.

A Prosthetische Gruppe
  • fest gebunden, oft kovalent
  • wird am selben Enzym umgesetzt und regeneriert
  • Beispiel: FAD in der Succinat-Dehydrogenase
B Cosubstrat
  • locker gebunden, dissoziiert ab
  • wird an einem zweiten Enzym regeneriert
  • Beispiel: \(\ce{NAD+}\) zwischen zwei Dehydrogenasen

Die Abbildung zeigt beide Wege. FAD wird im Enzym reduziert und dort auch wieder oxidiert. \(\ce{NAD+}\) verlässt das erste Enzym als NADH und wird erst an einer zweiten Dehydrogenase zurückverwandelt.

Schema: FAD bleibt in einem Enzym gebunden, NAD+ wandert als NADH von einem Enzym zum anderen und zurück.

Prosthetische Gruppe und Cosubstrat: Regeneration am selben Enzym oder an einem zweiten Enzym.

Auch Metallionen wirken als Cofaktoren. Beispiele sind \(\ce{Mg^2+}\) bei Kinasen, \(\ce{Zn^2+}\) in der Carboanhydrase sowie \(\ce{Fe^2+}\) und \(\ce{Cu^2+}\) in Redoxenzymen. Sie sind anorganisch und zählen deshalb nicht zu den Coenzymen.

Die meisten Coenzyme leiten sich von wasserlöslichen Vitaminen der B-Gruppe ab. Der Körper hängt an das Vitamin nur noch Phosphat- oder Nucleotidreste an. Fehlt das Vitamin, fällt deshalb gezielt die zugehörige Enzymreaktion aus. Bedarf und Mangelerscheinungen behandelt die Seite zu den Vitaminen.

Wasserstoff- und gruppenübertragende Cofaktoren

Nach ihrer Aufgabe bilden die Cofaktoren zwei Gruppen. Wasserstoffübertragende Cofaktoren arbeiten bei Redoxreaktionen. Sie nehmen Wasserstoff, also Elektronen samt Protonen, vom Substrat auf und reichen ihn an einen Akzeptor weiter. Gruppenübertragende Cofaktoren transportieren dagegen eine chemische Gruppe von einem Molekül zum anderen, etwa einen Acylrest oder eine Methylgruppe.

Wasserstoffüberträger

Zu dieser Gruppe gehören fünf Vertreter. \(\ce{NAD+}\) (Nicotinamid-adenin-dinucleotid) und sein Phosphat \(\ce{NADP+}\) nehmen ein Hydridion auf und werden zu NADH bzw. NADPH. FAD und FMN sind Flavine. Sie übernehmen zwei Wasserstoffatome und sitzen in Flavoproteinen meist fest, also als prosthetische Gruppe. Liponsäure wechselt zwischen Disulfid- und Dithiolform, etwa im Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex. Ubichinon ist lipophil und wandert in der inneren Mitochondrienmembran als Wasserstoffträger der Atmungskette. Aufbau und Strukturen dieser Moleküle zeigt die Seite zu den wasserstoffübertragenden Coenzymen.

🎯 Examensrelevant: H- oder Gruppenübertragung

Diese Zuordnung wird im Examen gerne gefragt. Wasserstoff übertragen \(\ce{NAD+}\), FAD, FMN, Liponsäure und Ubichinon. Achte darauf, dass PLP, SAM, TPP und Cobalamin trotz ihrer zentralen Stoffwechselrolle Gruppen übertragen und nicht als Redox-Cofaktoren arbeiten.

Gruppenüberträger

Jeder Gruppenüberträger hat seine typische Fracht. Man kann sich ihn wie einen Spezialtransporter vorstellen, der nur ein bestimmtes Paket annimmt.

Cofaktor übertragene Gruppe Beispiel
Coenzym A Acylrest Acetyl-CoA im Citratzyklus
Pyridoxalphosphat (PLP) Aminogruppe Transaminierung
S-Adenosylmethionin (SAM) Methylgruppe Noradrenalin zu Adrenalin
Thiamindiphosphat (TPP) aktivierter Aldehyd (C2-Einheit) Decarboxylierung von α-Ketosäuren, Transketolase
Cobalamin (Vitamin B12) Methylgruppe, Umlagerungen Methionin-Synthase
Tetrahydrofolsäure (THF) C1-Einheiten Purin- und Thymidinsynthese
Biotin \(\ce{CO2}\) Pyruvat-Carboxylase
UDP Zuckerrest UDP-Glucose in der Glykogensynthese

Die Übersicht fasst beide Äste zusammen. Ferredoxin steht dort gesondert, denn es passt in keinen der beiden Äste.

Mindmap mit zwei Ästen: wasserstoffübertragende und gruppenübertragende Cofaktoren mit ihren Vertretern.

Einteilung der Cofaktoren nach ihrer Aufgabe.
⚠️ Achtung: Ferredoxin und UDP

Ferredoxin überträgt zwar Elektronen, ist aber ein Eisen-Schwefel-Protein und damit kein wasserstoffübertragendes Coenzym. UDP aktiviert und überträgt Zuckerreste, ist also gruppenübertragend und an Redoxreaktionen nicht beteiligt.

Mehr zu CoA, PLP, TPP und Biotin findest du bei Coenzym A und Biotin, PLP und TPP.

Vitaminvorstufen und Eigensynthese

Ob der Mensch einen Cofaktor selbst herstellen kann, hängt an dessen Grundgerüst. Viele Coenzyme enthalten einen Baustein, den nur Pflanzen und Mikroorganismen aufbauen. Diesen Baustein muss der Mensch als Vitamin aufnehmen. Er ergänzt dann lediglich Phosphat- oder Nucleotidreste.

Cofaktor Vorstufe aus der Nahrung
FAD, FMN Riboflavin (Vitamin B2)
Pyridoxalphosphat Vitamin B6 (Pyridoxin, Pyridoxal, Pyridoxamin)
Tetrahydrofolsäure Folsäure
Thiamindiphosphat Thiamin (Vitamin B1)
Coenzym A Pantothensäure (Vitamin B5)

\(\ce{NAD+}\) nimmt eine Sonderstellung ein. Den Nicotinamidring liefert Niacin, in begrenztem Umfang bildet ihn der Körper aber auch aus Tryptophan.

De-novo-Synthese

Zwei Cofaktoren baut der Mensch vollständig selbst auf. Ubichinon entsteht aus einem Chinonring, der sich von Tyrosin ableitet, und einer Isoprenoidkette aus dem Mevalonatweg. UDP stammt aus der Pyrimidinbiosynthese. Aus Aspartat, Glutamin und \(\ce{CO2}\) entsteht der Uracilring, der mit Ribose-5-phosphat zu UMP verknüpft und dann zu UDP phosphoryliert wird. Diese Unterscheidung ist besonders prüfungsrelevant: Ubichinon und UDP synthetisiert der Mensch de novo, die Flavine, PLP, THF, TPP und CoA dagegen nur aus zugeführten Vorstufen.

Bausteine der Tetrahydrofolsäure

Tetrahydrofolsäure setzt sich aus drei Teilen zusammen: einem Pteridinring, 4-Aminobenzoesäure und Glutamat. Der Mensch kann diese Teile nicht verknüpfen und nimmt deshalb Folsäure auf. Die Dihydrofolatreduktase reduziert sie zur aktiven Tetrahydrofolsäure. C1-Einheiten binden an die Stickstoffatome N5 und N10.

Strukturformel der Tetrahydrofolsäure mit drei farbig hervorgehobenen Bausteinen.

Tetrahydrofolsäure: Pteridin, 4-Aminobenzoesäure und Glutamat; C1-Einheiten binden an N5 und N10.

Bakterien bauen Folsäure dagegen selbst aus 4-Aminobenzoesäure auf. Genau hier setzen Sulfonamide als Strukturanaloga an, wie die Seite zur kompetitiven Hemmung erklärt.

Vitamin C, Vitamin K und Vitamin E

Auch zwei Vitamine außerhalb der B-Gruppe dienen als Cofaktoren. Ascorbinsäure unterstützt die Prolyl- und Lysylhydroxylasen der Kollagensynthese. Sie hält das Eisen im aktiven Zentrum als \(\ce{Fe^2+}\) reduziert. Phyllochinon (Vitamin \(\mathrm{K_1}\)) ist Cofaktor der γ-Glutamylcarboxylase. Dieses Enzym carboxyliert Glutamatreste der Gerinnungsfaktoren II, VII, IX und X zu γ-Carboxyglutamat, das \(\ce{Ca^2+}\) bindet. Die Folgen für die Gerinnung behandelt die Seite zur Hämostase.

💡 Merke

Vitamin C und Vitamin \(\mathrm{K_1}\) arbeiten als Cofaktoren von Enzymen. Tocopherole (Vitamin E) dagegen schützen Membranlipide als Radikalfänger, ohne an ein Enzym gebunden zu sein.

Quiz

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Aussage 1

S-Adenosylmethionin dient in der Atmungskette als Wasserstoffträger.

SAM ist gruppenübertragend und liefert Methylgruppen, etwa bei der Bildung von Adrenalin aus Noradrenalin. Wasserstoffträger der Atmungskette ist zum Beispiel Ubichinon.

Aussage 2

Die γ-Carboxylierung von Glutamatresten in Gerinnungsfaktoren benötigt Phyllochinon als Cofaktor.

Vitamin \(\mathrm{K_1}\) ist Cofaktor der γ-Glutamylcarboxylase, die Glutamat in den Faktoren II, VII, IX und X carboxyliert.

Aussage 3

Pyridoxalphosphat kann der Mensch vollständig aus Aminosäuren synthetisieren.

Pyridoxalphosphat bildet der Mensch nur aus zugeführtem Vitamin B6.

Aussage 4

\(\ce{NAD+}\) nimmt ein Hydridion auf und gehört damit zu den wasserstoffübertragenden Cofaktoren.

\(\ce{NAD+}\) wird bei Redoxreaktionen zu NADH reduziert und überträgt Wasserstoff.

Aussage 5

Ubichinon kann der menschliche Organismus ohne Vitaminvorstufe selbst aufbauen.

Der Chinonring stammt von Tyrosin, die Isoprenoidkette aus dem Mevalonatweg. Ubichinon wird also de novo synthetisiert.

Aussage 6

Ferredoxin ist ein niedermolekulares Coenzym, das Wasserstoff überträgt.

Ferredoxin ist ein Eisen-Schwefel-Protein, das Elektronen überträgt. Es zählt nicht zu den wasserstoffübertragenden Coenzymen.

Aussage 7

4-Aminobenzoesäure ist neben Pteridin und Glutamat ein Baustein der Tetrahydrofolsäure.

Tetrahydrofolsäure besteht aus Pteridinring, 4-Aminobenzoesäure und Glutamat.

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