Kofaktorid ehk koefaktorid: määratlus, tüübid ja bioloogiline roll

Koefaktor (või kofaktor) on keemiline ühend, mis ei ole valk, vaid on seotud valkudega. Seda ühendit on vaja valgu bioloogiliseks aktiivsuseks. Enamikul juhtudel on valk ensüüm ja kofaktor aitab ensüümil toimida. Sellisel juhul nimetatakse kofaktoreid ka koensüümideks. Koefaktorid võivad ensüümi aktiivsust mõjutada mitmel moel: aidata substraadi sidumisel, osaleda elektronide või prootonite ülekandes, stabiliseerida reaktsiooni vaheprodukte või hoida ensüümi õiget kolmemõõtmelist kujutist.

Koefaktoreid, mis on keerulised orgaanilised molekulid, nimetatakse sageli koensüümideks. Kui nad on ühendatud kovalentse sidemega, on nad proteetiline rühm. Kui nad on aga ainult ajutiselt ühendatud, siis on kofaktor ko-substraat. Proteetilised rühmad jäävad ensüümiga püsivalt või pikaajaliselt, ko-substraadid aga seonduvad ja lahknevad ensüümiga igas reaktsioonis ning võivad vajada taastumist (nt redutseerimine/oksüdeerimine) enne järgmist katalüüsi.

Tüübid ja klassifikatsioon

Orgaanilised koensüümid — sageli vitamiinide või vitamiinidest tuletatud molekulide kujul. Näited on NAD+/NADH, FAD/FADH2, CoA, piridoksal-fosfaat (PLP), biotiin. Need osalevad sageli redoksreaktsioonides, grupiülekannetes või metaboolsetes kondensatsioonides. Paljud orgaanilised kofaktorid on seotud B-grupi vitamiinidega (vitamiinid).
Anorgaanilised kofaktorid — metalliioonid nagu Mg2+, Mn2+, Zn2+, Fe2+/Fe3+, Cu2+. Need ioonid stabiliseerivad negatiivseid laenguid, osalevad elektronide ülekandes (näiteks Fe-S-klastrid) või toimivad katalüütilise keskmena.
Hübriidsed kofaktorid — sisaldavad nii orgaanilist kui anorgaanilist osa (nt hem koos raudiooniga).
Proteetilised rühmad vs ko-substraadid — proteetilised rühmad on tihti püsivad ja seotud ensüümiga, ko-substraadid on ajutised ja vahetuvad reaktsiooni järel.

Ensüümi struktuur ja terminoloogia

Ensüüm ilma kofaktorita, mis ei suuda katalüütilist aktiivsust läbi viia, nimetatakse apoensüümiks. Kui ensüüm on kofaktoriga komplekteeritud ja aktiivne, räägitakse holoensüümist. Mõned ensüümid vajavad korraga mitut kofaktorit (näiteks orgaanilist koensüümi ja metalliiooni) või kompleksseid kofaktoreid, mis koosnevad mitmest osast.

Bioloogiline roll ja näited

NAD+ ja FAD (tuletatud niatsiinist ja riboflaviinist) osalevad paljudes redoksreaktsioonides raku ainevahetuses ja energia tootmisel.
Koensüüm A (CoA, seotud pantoteenhappega) kannab aktiive aküülgruppe rakkude metabolismis (nt rasvhapete oksüdeerimine, TCA tsükkel).
Piridoksal-fosfaat (PLP, B6-vitamiini derivaat) on oluline aminohapete transaminatsioonis ja dekarboksüülimisel.
Biotiin osaleb karboksüülimisreaktsioonides; happejääkide ülekandmisel vajalik lipoehape osaleb oksüdatiivses dekarboksüülimises.
Metalliioonid: Zn2+ on tähtis karbonaanhüdraasi ja paljude proteaaside aktiivsuses; Mg2+ stabiliseerib ATP-d ja on vajalik paljude kinasiensüümide töös; raua sisaldavad hem- ja Fe-S-klastrid osalevad elektronide ülekandes ja oksüdatiivsetes reaktsioonides.

Kliiniline ja biotehnoloogiline tähtsus

Vitamiinide defitsiit avaldub sageli kui spetsiifiliste kofaktorite puudulikkusest tingitud ensüümipuudulikkus — näiteks niatsiini puudus mõjutab NAD+-sõltuvaid reaktsioone, B6 puudus häirib aminohapete ainevahetust. Sama moodi võivad metalliioonide defitsiit või ülekoormus (nt raua või vasaku metalli toksilisus) häirida ensüümide tööd. Paljud ravimid ja toksilised ained toimivad, blokeerides kofaktorite ligandumist või asendades neid, mistõttu kofaktorite tundmine on oluline nii meditsiinis kui biotehnoloogias.

Lisamärkused

Kofaktorite taaskasutus on raku jaoks oluline — paljud koensüümid liiguvad redutseeritud ja oksüdeeritud vormide vahel (nt NAD+/NADH) ning vajavad rakkudes pidevat taastamist. Samuti on oluline märkida, et terminid "koefaktor", "koensüüm" ja "proteetiline rühm" võivad mitmes allikas veidi erineda sõltuvalt rõhuasetustest (orgaaniline vs anorgaaniline, püsiv vs ajutine sidumine), kuid kõik viitavad samale põhimõttele: mittevalksete komponentide rollile valgulise funktsiooni võimaldamisel.

Lihtne [Fe2 S2 ] klaster, mis sisaldab kahte raud- ja kahte väävliaatomit, mida koordineerivad neli valgu tsüsteiinijääki.

Küsimused ja vastused

K: Mis on kaasfaktoor?

V: Koefaktor on keemiline ühend, mis on seotud valgu külge ja on vajalik valgu bioloogiliseks aktiivsuseks.

K: Milline on kofaktori roll?

V: Kaasfaktori roll on aidata ensüümil oma bioloogilist tegevust teostada.

K: Milline teine nimetus on kofaktoritel, mis on keerulised orgaanilised molekulid?

V: Koefaktoreid, mis on komplekssed orgaanilised molekulid, nimetatakse ka koensüümideks.

K: Mis vahe on proteetilisel rühmal ja koosubstraadil?

V: Ko-faktor on proteetiline rühm, kui ta on valkudega seotud kovalentse sideme kaudu, samas kui ta on ko-substraat, kui ta on valkudega ajutiselt seotud.

K: Millised molekulid võivad olla kofaktorid?

V: Kofaktorid võivad olla orgaanilised molekulid, sageli vitamiinid või vitamiinidest saadud molekulid, ja anorgaanilised metalliioonid.

K: Kas mõned ensüümid sõltuvad mitmest kofaktorist?

V: Jah, mõned ensüümid vajavad nõuetekohaseks toimimiseks mitut kofaktorit.

K: Kas kofaktorite hulka võivad kuuluda nii orgaanilised kui ka anorgaanilised molekulid?

V: Jah, paljud kofaktorid koosnevad nii anorgaanilistest kui ka orgaanilistest osadest.