Cofactores enzimáticos inorgánicos y ORGANICOS

Modelo tridimensional enzima fosfatasa alcalina Un cofactor enzimático es definido como un componente no enzimático que promueve el valor catalítico de una enzima, en una definición que enfatiza la función más que la estructura. Dado que casi un tercio de las enzimas requiere de metales iónicos para la función catalítica, es evidente que los componentes inorgánicos conforman una parte substancial de los cofactores. La mayoría de los metales traza tienen un común denominador en su involucramiento íntimo con las enzimas; muchos son componentes del sitio activo que se une a los sustratos, aceptan electrones, estabilizan las estructuras terciaria y cuaternaria y aún regulan el ritmo de las rutas metabólicas.

La historia nutricional de los elementos minerales, a diferencia de las vitaminas, tuvo poco enfoque temprano en humanos. Fue en el ganado doméstico alimentándose de forraje procedente de suelos pobres en minerales que se manifestaron los síntomas de deficiencia (aunque al principio se pensó que era debido a toxicidad). Signos típicos eran el prensado de la lana en las ovejas, ruptura de aorta en cerdos y bovinos y pérdida de mielina en los cerebros de corderos recién nacidos. Los síntomas disminuían marcadamente por suplementación del pienso con sales de iones metálicos como CuSO4, Fe(NH4)2(SO4)2 y ZnCl2.

El reverso de los síntomas y el restablecimiento del crecimiento óptimo del ganado proporcionó la primera evidencia de los metales esenciales. Con el tiempo, los estudios bioquímicos llevaron al aislamiento de enzimas que requerían iones metálicos para funcionar, y poco después esas enzimas específicas podían ser asociadas a los síntomas de deficiencia.

Las interacciones de los iones metálicos eran vistas como detrimentales, así como valiosas para el sistema. Por ejemplo, un estudio temprano mostró que el cobre potenciaba los efectos de hierro para aliviar una condición de anemia en ratas de laboratorio alimentadas con una dieta a base de leche; esa observación fue repetida en pollos y cerdos, y pronto atrajo la atención de los clínicos que adoptaron un protocolo bimetálico similar en el tratamiento de humanos anémicos. Junto con el advenimiento de dietas semipurificadas en la misma época la ciencia de la nutrición se colocó en el umbral de importantes descubrimientos sobre los papeles de os elementos minerales esenciales.

Propiedades generales

Los cofactores minerales comprenden un grupo grande de substancias inorgánicas, con una mayoría de iones metálicos. El dominio de iones metálicos incluye macrometales (como Na+, K+, Ca2+), iones metálicos traza (incluyendo Fe2+, Zn2+, Cu2+ y Mn2+) y metaloides (como Se, Si y B).

Al buscar una razón para su necesidad, debemos entender que los iones metálicos son adecuados para la labor de ejecutar peligrosas reacciones químicas en las superficies enzimáticas, reacciones que de otra manera podrían dañar las cadenas orgánicas laterales más sensibles de los aminoácidos en una enzima. Por ejemplo, los metales redox tales como hierro, manganeso y cobre pueden aceptar electrones en su estructura, manteniéndolos temporalmente para luego donarlos al oxígeno, formando agua como una forma para disponer de los electrones con seguridad.

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En esencia, uno debe considerar que un cofactor metálico extiende el repertorio de funciones catalíticas disponibles para y realizadas por enzimas.

Las enzimas que dependen de los iones metálicos como cofactores caen en 2 categorías: enzimas activadas por metales y metaloenzimas. Como el nombre implica, las enzimas activadas por metales son incitadas a una mayor actividad catalítica por la presencia de un ion metálico mono o divalente en el exterior de la proteína. El metal puede activar el sustrato (por ejemplo, Mg2+ con ATP), acoplar la enzima directamente o entrar en equilibrio con la enzima explotando su carga iónica para producir una unión más favorable con el sustrato o un mejor ambiente catalítico. Por lo tanto, las enzimas activadas por metales requieren que el metal esté presente en exceso tal vez 2-10 veces más que la concentración de la enzima.

Como el metal no puede unirse en una forma más permanente, las enzimas activadas por metales típicamente pierden actividad durante la purificación. Un ejemplo es piruvato-quinasa, que tiene un requerimiento específico por K+ y es inactivada por diálisis (difusión por una membrana semiporosa).

Las metaloenzimas, en contraste, tienen un cofactor metálicos unido firmemente a una región específica en la superficie de la proteína. Algunas pueden incluso requerir más de un ión metálico y en raras ocasiones podrían ser 2 metales diferentes como, por ejemplo, en Cu2,Zn2-superóxido-dismutasa.

Con algunas excepciones, los metales traza entran en el cuadro como cofactores para las metaloenzimas. Fe, Zn, Cu y Mn, referidos como metales de la primera serie de transición, son los más comunes. Sus contrapartes, Mg, K, Ca y Na, son no considerados traza y solamente en raras instancias estos llamados macroelementos se unen fuertemente a la superficie de enzimas.

La fuerte unión imposibilita la pérdida del ión metálico por diálisis o pérdida por agentes disociadores débiles. Las metaloenzimas, sin embargo, pueden perder su cofactor metálico y volverse inactivas cuando son tratadas con queladores metálicos que tienen una afinidad de unión más fuerte que la enzima y vencen a la proteína enzimática por el ión metálico.

Como grupos prostéticos, los metales en las metaloenzimas tienen una relación estequiométrica (relación ión metal-proteína enzimática) representada por un integrador completo. Las metaloenzimas raramente son preparadas para una mayor actividad al agregar su ión metálico conjugado a la enzima. La geometría espacial también es una preocupación: los metales en la primera serie de transición (Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) deben adherirse a configuraciones geométricas estrictas alrededor del sitio de unión del metal. Para los metales en la primera serie de transición se toma nota de los orbitales 3d y 4s al asignar estados de valencia y las formas geométricas factibles.

Exceptuando aquellas con cinc, las enzimas con metales de la primera serie de transición tienden a ser muy coloridas; por ejemplo, el color rojo de la hemoglobina (hierro) o el color azul de ceruloplasmina (cuyo nombre significa azul cielo) asociada con cobre.

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Cofactores metálicos

Hierro

La mayoría de enzimas con hierro acoplan el hierro ya sea como heme o como un arreglo especial de hierro con grupos azufre conocidos como centros hierro-azufre (FenSn). El hierro en heme muestra un enorme parecido con el ión magnesio en la clorofila. Heme, que es básicamente un sistema de anillo de porfirina con hierro posicionado en el centro, es la forma más común de hierro en las proteínas biológicas. En citocromo c, una proteína heme común en las mitocondrias, los ligandos axiales al hierro están ocupados por histidina y metionina de la proteína.

Como componente de los centros hierro-azufre, el hierro entra en múltiples arreglos de grupo con residuos de cisteína en enzimas que ofrecen un contacto más directo con la proteína. Estos centros difieren en su complejidad del simple 2Fe-2S al más elaborado 4Fe-4S. El hierro en estos centros se une a los sustratos así como transfiere electrones y toma parte en reacciones que involucran deshidrataciones y reacomodos.

Las enzimas con centros hierro-azufre incluyen xantina-oxidasa, succinato-deshidrogenasa, aconitasa y nitrogenasa.

Una tercera clase, representada por ribonucleótido-reductasa, tiene un grupo FeO2 con un dioxígeno como un anión peróxido O22- montado entre 2 centros de hierro. Este arreglo permite a la enzima remover un átomo de hidrógeno de una unión C-H muy estable. Un no metal puede substituir al hierro en estos complejos.

Las enzimas con un grupo heme generalmente son de color café rojizo (cuyo tono dependerá del estado de oxidación del hierro). El color motivó un interés inicial en estas proteínas y fue el factor motivador detrás de nombrar a las proteínas heme en las mitocondrias como “citocromos”.

Aunque solamente algunas pocas enzimas solubles tienen hierro como cofactor, el hierro es especialmente prominente en las proteínas unidas a membrana que comprenden rutas de transporte de electrones. Ejemplos de estas incluyen los citocromos en la mitocondria, retículo endoplásmico y fotosistemas I y II en los cloroplastos. Tal vez la proteína con hierro más inusual es la ferritina, una enorme proteína subunidad de almacenamiento de hierro que tiene la capacidad de unir más de 2,500 átomos de hierro en su estructura.

La propiedad redox del hierro desempeña mucha de su química como cofactor. El hierro está casi siempre involucrado con la transferencia de electrones y muchas veces dona los electrones a una molécula de oxígeno. Dos importantes propiedades que se adecúan a ese papel son: (1) un átomo de hierro que puede fácilmente realizar cambios de valencia reversibles de Fe2+ a Fe3+, lo que permite el intercambio fácil de electrones, y (2) el par ión ferroso-férrico tiene un potencial electroquímico relativamente bajo (-0.1 V), el cual permite al hierro estar en el lado alto (reductor) de una cadena de transporte de electrones.

En citocromo P450 un solo átomo de oxígeno es transferido al sustrato después de que O2 se une a Fe(II). En el mecanismo el complejo Fe(II)-O2 es convertido en FeO, el cual presenta una especie Fe(V) que atrae el sustrato e incorpora el único átomo de oxígeno en su estructura. Aunque

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estados más altos de valencia tales como Fe(IV) y Fe(VI) son formados por remoción de electrones 3d adicionales, solamente en raras ocasiones estas valencias más altas de hierro son vistas en sistemas biológicos.

Tanto catalasa como peroxidasa, dos enzimas heme, utilizan hierro para interactuar con oxidantes peligrosos. Ambas enzimas están localizadas en el citosol y en peroxisomas, en donde ocurren las reacciones de oxidación dañinas durante el curso de los eventos metabólicos normales.

Tal vez la enzima conteniendo hierro más familiar es la citocromo c-oxidasa, el aceptor de electrones terminal en la cadena mitocondrial de transporte de electrones y la enzima capaz de dividir una molécula de oxígeno para formar agua.

Cinc

El cinc es tal vez el más ubicuo y versátil de todos los cofactores metálicos. Más de 300 enzimas tienen un cofactor de cinc. Las proteínas ligadas a cinc que se enganchan al DNA, las llamadas proteínas dedo de cinc, atestiguan la versatilidad del cinc en los sistemas biológicos. Aproximadamente el 3 % del genoma en los mamíferos codifica para proteínas dedo de cinc.

Como cofactor, el cinc puede realizar funciones tanto estructurales como catalíticas. En la anhidrasa carbónica, por ejemplo, el cinc entra en una unión coordinada con el sustrato CO2; en la carboxipeptidasa el cinc toma parte activa en la ruptura de la unión péptido; las enzimas multisubunidad como aspartato-transcarbamilasa utilizan cinc para coordinar las posiciones de las subunidades catalítica y reguladora, un papel estructural; la Cu2,Zn2-superóxido-dismutasa requiere cinc para posicionar el átomo de cobre en el canal accesado por el sustrato HO.2, otro papel estructural; en las proteínas dedo de cinc, Zn2+ contribuye a la estabilidad de la estructura de rizo que contacta los surcos mayor y menor del DNA. Estos ejemplos ilustran por qué el cinc es un importante acompañante para enzimas y proteínas.

El cinc es considerado un metal suave porque se comporta como un catión divalente sin preferencia geométrica especial. Es tal vez esta suavidad lo que permite al cinc adaptarse a tantos ambientes enzimáticos diferentes. El cinc existe en un estado de valencia Zn2+, y por tanto no tiene propiedades redox. El ión Zn2+ está configurado como un 3d10, lo que denota un orbital 3d lleno. Por esta razón, los complejos de cinc carecen de color y el cinc en sí se comporta principalmente como un catión.

Zn2+ es un buen aceptor de electrones (ácido de Lewis) y puede entrar en un arreglo de unión coordinado que polariza grupos a los cuales se une. Esta propiedad permite al cinc incrementar la susceptibilidad de una unión química a ataque; por ejemplo, Zn2+ polariza al agua, lo que hace que el agua se comporte más como un ión hidróxido y sea más efectiva para atacar el CO2 para formar HCO-3 en la reacción catalizada por anhidrasa carbónica. Otro ejemplo es el uso de cinc para polarizar la unión ester o amida, promoviendo así el ataque nucleofílico de agua a la unión, como en las reacciones catalizadas por carboxipeptidasa y aminopeptidasa.

Cobre

El cobre, como el hierro, es un metal redox. Como el hierro, el cobre existe en estados de valencia múltiples; Cu+ y Cu2+ (cuproso y cúprico) son los más comunes.

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Las enzimas con cobre, aunque no tan numerosas como las enzimas con cinc, cumplen importantes funciones biológicas, principalmente dentro del citosol. Muchas caen en la categoría de oxidoreductasas, o más específicamente “oxidasas”, lo que significa que catalizan reacciones en las cuales los electrones del sustrato son transferidos al O2.

Las enzimas con cobre pueden ser simples o complejas, dependiendo del número de átomos Cu en la enzima. Las enzimas simples generalmente contienen un Cu por subunidad. Las enzimas más complejas incluyen las oxidasas multicobre, que pueden tener tan pocos como 4 (ejemplo, laccasa) o tantos como 8 átomos de cobre por enzima (ejemplo, dopamina-β-monooxigenasa). El cobre en estas enzimas existe en 3 diferentes ambientes químicos conocidos como sitios cobre tipo 1, tipos 2 y tipo 3.

La ceruloplasmina, por ejemplo, contiene 6-7 átomos de cobre en 3 sitios distintos. El sitio cobre tipo 1 da un color azul a la ceruloplasmina y otras proteínas azules con cobre. Los sitios de unión con cobre en una oxidasa multicobre forman una triada consistente de un cobre tipo 2 y dos cobres tipo 3, arreglados en un triángulo isósceles. El oxígeno se une a estos dos cobres tipo 3 en la base del triángulo. Ejemplos de enzimas con cobre incluyen citocromo c-oxidasa, lisil-oxidas y ascorbato-oxidasa.

Debido a su tendencia para aceptar electrones, el cobre es un poderoso oxidante en los sistemas biológicos. Los sitios cobre en la ceruloplasmina tienen la capacidad de oxidar Fe2+ a Fe3+, lo que prepara los iones férricos para unirse a la transferrina y entregar hierro a órganos y tejidos. Esta reacción liga al hierro con el metabolismo del cobre y podría explicar como la ausencia de cobre en la diera impide el transporte de hierro y causa anemia en los humanos.

Raramente el cobre está destinado a desempeñar solamente un papel estructural, y muchas enzimas que poseen cobre como cofactor utilizan el metal en el sitio activo. Estudios han ligado iones de cobre con la formación de arterias o angiogénesis. Uno de los descubrimientos más emocionantes, aún por ser comprendido del todo, es que privar a un animal (humanos incluidos) de cobre retrasa o aún inhibe el crecimiento de tumores cancerosos. Desde una perspectiva nutricional, esto podría significar que el cobre es esencial para el desarrollo del sistema microvascular.

Manganeso

Mientras que el cinc puede ser el metal de transición más común en enzimas, el manganeso es tal vez el menos común, en parte debido a que los complejos de manganeso con proteínas tienden a ser débilmente estables y se disocian con facilidad. Metaloenzimas con manganeso notables incluyen piruvato-carboxilasa y manganeso-superóxido-dismutasa en las mitocondrias y arginasa en el ciclo de urea. El manganeso también puede funcionar como un cofactor activador de metal para muchas enzimas que requieren magnesio.

Aunque el manganeso no es considerado un metal redox basado en su reactividad, puede no obstante existir en 6 estados de oxidación (Mn2+ a Mn7+), tres de los cuales (Mn5+ a Mn7+) no se observan en sistemas biológicos. La forma más común de manganeso es Mn2+. El mayor número

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de valencias múltiples de manganeso ocurren en la enzima divisoria de agua que se encuentra en los cloroplastos de las plantas como parte del fotosistema II.

Cobalto

El papel del cobalto como cofactor está limitado a su presencia en la vitamina B12. El cobalto y el níquel son iones que pueden haber figurado más prominentemente en los sistemas primitivos cuando la atmósfera contenía H12 y CH4 como gases ambientales comunes; cuando los sistemas biológicos gradualmente se adaptaron al O2 la necesidad de estos 2 metales fue menor.

El cobalto puede existir en 3 estados de valencia, Co+, Co2+ y Co3+, siendo Co2+ el más común en 5’-desoxiadenosilcobalamina, la forma familiar de la coenzima vitamina B12. El cobalto está unido por un arreglo plano cuadrado a un anillo, análogo a heme pero con características muy especiales. A diferencia de heme, el cobalto tiene 2 ligandos axiales que están libres de la proteína, lo que permite a grupos no proteínicos tener acceso al metal central por arriba y por debajo del plano. En un complejo octaedro, una posición axial (el quinto coordinado) está normalmente ocupado por un benzimidasol y el otro por un grupo metilo (como en metil-cobalamina).

El arreglo es único y permite al cobalto forman uniones carbón-metal con el potencial para 2 diferentes reactividades. El grupo metilo, por ejemplo, puede ser removido como ión carbonium reteniendo ambos electrones en el cobalto, lo que luego revierte a un menos estable Co(I). Esto es típico de la reacción en la cual la vitamina B12 actúa como un donador de metilo.

En los rearreglos de posición el cobalto retiene solamente un electrón y forma un estable Co(II) o ión d7 con la liberación de un radical libre. Los radicales libres son altamente reactivos y superan las barreras de energía que mantendrían a raya a otros reactivos. Así, las propiedades químicas del cobalto transfieren grupos como iones carbonium o radicales centrados en carbón altamente reactivos. Ambos productos son posibles y explican la necesidad por cobalto como un cofactor para la reacción que procede vía un mecanismo de radical libre. Un ejemplo de este último es el rearreglo intramolecular de metilmalonil-CoA a succinil-CoA, catalizado por metilmalonil-CoA-mutasa.

Vanadio

Aunque todavía debe describirse una función bioquímica completa para el vanadio en los animales superiores, reportes en bacterias y algas proporcionan pistas sobre la necesidad funcional de este metal en la catálisis enzimática. Se ha encontrado que el vanadio es esencial para la actividad de bromoperoxidasa, una enzima encontrada en las algas cafés y rojas, y poco después se caracterizó una iodoperoxidasa dependiente de vanadio.

El vanadio también ha sido encontrado en altas concentraciones en hongos, y se ha demostrado su acumulación abundante en ascidias, específicamente en las células sanguíneas (vanocitos) de estos organismos.

La especulación sobre la función del vanadio en los microorganismos va de la acción antimicrobiana a la transferencia de electrones y el atrapar oxígeno. En los animales superiores, sin embargo, el vanadio tiene propiedades insulinomiméticas y se ha demostrado que estimula la

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proliferación y diferenciación celular. Se cree también que regula las reacciones de fosforilación y desfosforilación a través del control de ATPasas, fosfatasas y adenilciclasa, lo que tiene amplios efectos en las funciones celulares. Debe notarse, sin embargo, que no se ha demostrado todavía que el vanadio sea un activador o inhibidor específico de alguna enzima en humanos.

El vanadio es como el molibdeno, al ser capaz de formar tanto oxianiones como oxicationes, VO42- (MoO42-), VO2+ (MoO2+, MoO2+ y MoO22+), así como centros de azufre, como VS43- (MoS42-). El vanadato difiere del molibdato al ser un agente oxidante más fuerte, lo que puede relacionase con su función de transferencia de electrones en las formas de vida menores, pero con significado cuestionable en humanos.

Calcio

El calcio es un cofactor para un número limitado de importantes enzimas, además del complejo actina-miosina en el músculo; alfa-amilasa y termolisina son 2 de las más conocidas. Como un ión libre o trabajando a través de calmodulina, el calcio es mejor entendido como un activador de enzimas en rutas de señalización celular dependientes de hormonas.

Las enzimas referidas como Ca-ATPasas y H+/Ca-ATPasas no deben ser consideradas como enzimas dependientes de calcio. Este es un nombre incorrecto porque Ca2+ es el objeto de la acción de la enzima más que un cofactor para su actividad. Las ATPasas comprenden un gran grupo de enzimas unidas a membrana que bombean Ca2+ desde el citosol hacia el retículo endoplásmico o expelen calcio de la célula a través de canales en la membrana.

Como un metal del grupo IIa, el calcio está limitado a un estado de valencia 2+ y sirve primariamente como catión divalente en sus interacciones con enzimas. El papel de Ca2+ está limitado principalmente a la estabilidad estructural.

Molibdeno

El molibdeno está ampliamente distribuido en plantas y animales. El metal existe en 3 estados de valencia: Mo4+, Mo5+ y Mo6+. Un número limitado de reacciones redox explotan los estados multivalencia. Las enzimas dependientes de molibdeno se encuentran en rutas que metabolizan purinas, pirimidinas, pterinas, aldehídos y sulfitos.

Se ha propuesto una estructura de cofactor para el molibdeno, llamada molibdopterrina. Las enzimas que utilizan el cofactor incluyen xantina-oxidasa, sulfito-oxidasa y aldehído-oxidasa. En microorganismos el molibdeno es un metal clave para la fijación de oxígeno. La xantina-oxidasa es la enzima con relevancia en el sistema mamífero.

Una preocupación nutricional del molibdeno es su habilidad para antagonizar al cobre. El rociado indiscriminado de los suelos con molibdeno afecta el crecimiento y productividad de los rumiantes. El efecto se relaciona con la formación de tiomolibdatos en el rumen, en donde estos interactúan y se ligan al cobre evitando su absorción. Los tiomolibdatos tienen una enorme afinidad por cobre, casi al grado de exclusión de otros iones metálicos, al grado que se han utilizado para controlar la toxicidad en la enfermedad de Wilson, una enfermedad genética de envenenamiento de cobre en humanos.

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Níquel

Como un cofactor, el níquel aparece con poca frecuencia, reportándose en enzimas microbianas y de plantas, como ureasa del frijol Jack, frijol de soya, arroz y tomates. Hay unos 2 gramo-átomos de níquel por mol de subunidad (96,000 Da) de la enzima. Otras metaloenzimas conteniendo níquel incluyen el Factor F340 encontrado en la membrana de bacterias metanogénicas, carbono-monóxido-deshidrogenasa e hidrogenasas I y II.

El níquel ha llamado la atención debido a la observación de que las concentraciones en el suero de mujeres se elevan marcadamente, inmediatamente después del parto.

Algunos consideran al níquel como “el metal que fue”. A medida que los biosistemas evolucionaron y cambiaron de una atmósfera sin oxígeno a una rica en oxígeno, en donde el metano y el hidrógeno tendieron a ser minimizados como sustratos para energía, los metales que formaban un cofactor importante en el ambiente anaerobio y que eran utilizados por organismos más primitivos (como arqueobacterias) fueron substituidos por un metal o cofactor más adecuado para el ambiente actual. Así, níquel, como cobalto, pueden haber tenido su mayor era en las enzimas que catabolizaban CH4 y H2.

Otros cofactores metálicos

El ión sodio no es considerado generalmente con un cofactor específico pues no se ha demostrado la existencia de una enzima cuya catálisis dependa estrictamente de los iones de sodio. Las enzimas activadas por sodio responden con frecuencia a cofactores metálicos substitutos como Li+ o aún cationes divalentes.

El ión magnesio es requerido por un gran número de enzimas conocidas como quinasas, enzimas que transfieren el grupo fosfato terminal de ATP a un sustrato. Las enzimas quinasas figuran prominentemente en muchas rutas bioquímicas como glicólisis (hexoquinasa, fructosa-6-fosfato-quinasa, piruvato-quinasa), respuestas hormonales mediadas por AMP cíclico, señalización celular y regulación de división celular.

El ión potasio es un cofactor específico para piruvato quinasa en la ruta de glicólisis. Tanto potasio como magnesio forman enlaces no permanentes con sus respectivas enzimas y por tanto actúan más en la capacidad de activadores.

Aunque cromo, estaño, arsénico y estroncio han sido postulados por algunos investigadores como esenciales para el óptimo crecimiento y salud de los organismos, así como poseedores de una influencia positiva en los sistemas biológicos, las funciones como cofactores para sus iones no han sido asignadas porque no se han encontrado enzimas específicas que puedan requerirlos para su actividad.

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Cofactores minerales no metálicos

Selenio

El selenio pertenece a la categoría de no metales redox y está incluido en la misma clase del azufre (algunas veces referidos como metaloides), lo que implica que el selenio podría ser capaz de substituir al azufre en los complejos biológicos. Como un congénere del azufre, el selenio se vuelve parte de la estructura de proteínas como selenocisteina y selenometionina, no como un átomo de selenio ligado directamente a la proteína como un grupo prostético. Estas son los cofactores activos en las enzimas con selenio.

Aunque un ión selenio es claramente capaz de reacciones redox, hay poca información disponible sobre las funciones de selenio como cofactor. Enzimas como glutatión-peroxidasa son enzimas solubles que trasfieren electrones hacia y desde sustratos. Substituir el selenio con azufre en la enzima niega la actividad. Con solamente algunas selenoenzimas disponibles hay información insuficiente para precisar el papel catalítico del selenio.

Se cree que glutatión-peroxidasa en la forma reducida (descanso) contiene un selenol ionizado que puede reaccionar con peróxidos orgánicos o peróxido de hidrógeno. Una enzima selenol podría ser un intermediario en la reacción catalizada por 5’-deiodinasa, la enzima que cataliza la remoción de iodo de la hormona tiroidea. El complejo enzima-ácido selenénico (Enz-SeOH) es regenerado por glutatión reducido (GSH) el cual forma un intermediario mixto (Enz-Se-S-G). Este intermediario luego reacciona con un segundo GSH para restaurar Enz-Se- y libera glutatión oxidado (GSSG) como producto. La regeneración de Enz-SeI de 5’-deiodinasa también requiere un agente reductor cuya identidad es incierta.

Sílice

Existe debate sobre si sílice es un cofactor, aunque es innegable su importancia en un número considerable de reacciones bioquímicas que llevan a la síntesis de glicoproteínas y polisacáridos en la matriz extracelular del tejido conectivo.

El sílice como Si(OH)4 es muy abundante en suelos y minerales, siendo tan común en los tejidos humanos como el magnesio. En las plantas, especialmente pastos, el sílice es un componente importante de un esqueleto mineral y tiene una renovación metabólica cercana a la del carbono. En los humanos, las mayores concentraciones de sílice aparecen en los tejidos conectivos como aorta, tráquea, tendones, huesos y piel. Menores cantidades se encuentran en hígado, corazón y músculos, La epidermis y el pelo son significativamente altos en sílice.

El sílice, como ácido silícico, es requerido para la actividad máxima de prolil-hidroxilasa, la enzima que convierte los residuos de prolina a hidroxiprolina en el colágeno. Se requieren niveles elevados (0.2 a 2.0 mM) para estimular la enzima, la cual cataliza un factor determinante de tasa en la biosíntesis de colágeno.

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Boro

Manipulando el contenido de boro en la dieta lleva a un amplio número de respuestas metabólicas, lo que atestigua la importancia potencial del boro en la nutrición humana. Estudios tempranos reportaron niveles superiores de hormonas esteroides, testosterona y estradiol en los animales suplementados con boro. Estudios adicionales sugirieron que el boro tenía un papel regulador en el metabolismo de otros minerales como calcio y que podía afectar el metabolismo óseo.

En una forma comparativa, el papel del boro ha sido bien establecido en plantas vasculares, diatomeas y flagelados algáceos marinos. Los peces cebra privados de boro tienden a sufrir defectos de desarrollo. Estos datos han impulsado la investigación sobre las funciones biológicas del boro en los vertebrados superiores; sin embargo, pocos estudios apoyan un papel esencial del boro en los vertebrados.

Comparado con el pez cebra, las ratas embarazadas alimentadas con un quinto del nivel de boro de las ratas control no presentan menor crecimiento o desarrollo fetal. Sin embargo, menos embriones de 2 células de las ratas deficientes alcanzaron la etapa de blastocito cuando fueron cultivadas in vitro, sugiriendo que la privación de boro tuvo un impacto en una etapa muy temprana del desarrollo.

Tal vez la reticencia a aceptar boro como esencial es la falla para definir un enlace a un compuesto de órgano boro específico con una función fisiológica. Los datos, no obstante, tienden a apoyar la noción de que los complejos de boro con componentes biológicos son muy inestables para ser aislados y estudiados, lo que ha limitado el impulso para precisar su función metabólica.

Los cofactores minerales pueden ser vistos como un subgrupo especial de los biominerales. Más que contribuir a la masa esquelética y a la homeostasis de fluidos, sin embargo, los cofactores minerales son más sutiles y están dedicados específicamente a enzimas.

Para encontrar una razón para la existencia de los cofactores minerales, debe considerarse que para cumplir con sus obligaciones funcionales una enzima se enfrenta a muchos retos. La superficie de la proteína puede ser fácilmente modificada químicamente por interacción con sustratos y que la enzima puede perder fácilmente su forma biológica por desnaturalización.

Los electrones y grupos que son transferidos hacia y desde los sustratos tienen el potencial de modificar permanentemente la enzima. Esto sucede con frecuencia y en lugar de ser reparadas las enzimas viejas son substituidas.

Los cofactores minerales entran en la labor diaria de hacer que una enzima soporte el ambiente difícil en que existe. También se ha demostrado que son ligadores efectivos de sustrato y que interactúan con oxidantes y reductores sin dificultad.

Algunos metales traza como cinc pueden aceptar pares de electrones en la formación de unión covalente que polariza y facilita la ruptura de uniones químicas en el sustrato. Otros metales como cobre y hierro pueden aceptar electrones del sustrato y pasarlos al oxígeno.

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La catálisis y la estabilidad estructural son las 2 funciones primarias de los metales en las enzimas. Muchos factores orgánicos sirven como agentes de captura de electrones y de transferencias de grupo, lo que sugiere que las metaloenzimas pueden respaldar enzimas con cofactores orgánicos; sin embargo, esta visión es sobresimplificada ya que hay muchas reacciones catalizadas por enzimas en donde solamente un metal podrá cumplir con el papel, como en las metaloenzimas que catalizan la destrucción de radicales de oxígeno.

Nos referimos a los metales esenciales en un nivel similar que las vitaminas, que son requeridas en cantidades muy pequeñas para mantener el status quo en un sistema y, como las vitaminas, están disponibles solamente a través de la dieta. Por lo tanto, podemos concluir que los minerales esenciales y las vitaminas tienen un punto común en las enzimas, a las cuales, literalmente, les permiten funcionar.

Cofactores enzimáticos orgánicos

Citrato sintetasa y CoA (ADP3'-fosfato) en morado CoA(Ácido pantoténico) en rojoLos cofactores son importantes elementos para los procesos bioquímicos. Generalmente presentes como compuestos orgánicos pequeños o iones metálicos, los cofactores dar poder a las enzimas para la máxima funcionalidad de la efectividad catalítica o resistencia. Las coenzimas con un subgrupo de cofactores cuya estructura es en parte derivada de las vitaminas hidrosolubles del grupo B. Históricamente los cofactores han sido removidos inadvertidamente durante la purificación y han debido ser agregados para restaurar la actividad enzimática. En la actualidad, nos referimos a un cofactor como un componente obligatorio del mecanismo catalítico.

Los compuestos que cumplen el criterio anterior son 1) moléculas orgánicas pequeñas que se unen directamente a la superficie de la enzima, formando un sitio activo para que se una o interactúe el sustrato, o asiste en estos eventos indirectamente, o 2) iones inorgánicos que se unen a grupos específicos en la superficie de la enzima y ayudan en la unión del sustrato, catálisis, estabilización del estado de transición o contribuyen a la estabilidad global de la estructura enzimática. Hablando prácticamente, cualquier substancia en un medio de ensayo que promueve la actividad catalítica o la estabilidad de una enzima es un candidato para cofactor.

Cofactores y coenzimas son términos que se usan intercambiablemente. Es importante notar, sin embargo, que el prefijo “holo” se utiliza para referirse a una enzima y a su coenzima juntas como una unidad catalítica, y el prefijo “apo” cuando falta la coenzima. Las apoenzimas son afuncionales y no benefician al organismo.

Los estudios tempranos en vitaminas encontraron que muchas, especialmente las vitaminas hidrosolubles del grupo B, formaban el núcleo de los compuestos que tomaban parte en la catálisis enzimática. El descubrimiento estableció un puente entre nutrición y bioquímica. En efecto, muchos investigadores bioquímicos tempranos se dedicaron a aprender las funciones biológicas de los nutrimentos esenciales, los cuales incluían a las vitaminas.

Un principio general que emergió en ese entonces era que una vitamina debía ser cambiada a otro compuesto para ser metabólicamente funcional. Con la dieta como la única fuente, fue posible aprender los efectos específicos de las vitaminas individuales por estudios de omisión. Con estudios más profundos de los procesos biológicos, pronto se dieron cuenta de que cancelar una enzima en una ruta bioquímica crítica estaba detrás de muchas de las enfermedades por

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deficiencia vitamínica, como beriberi, pelagra y anemia perniciosa. Esto puso un nuevo énfasis en las funciones enzimáticas y en la búsqueda por enzimas que dependieran de las vitaminas para funcionar.

Se considera que existen alrededor de 20 principales cofactores orgánicos involucrados en la acción enzimática de las rutas bioquímicas en humanos.

Vitaminas específicas como cofactores

Tiamina (vitamina B1)

Mejor conocida como el factor anti-beriberi y llamada inicialmente simplemente vitamina B por McCollum, la tiamina está involucrada en la descarboxilación de piruvato a acetaldehído en la fermentación alcohólica y fue llamada “cocarboxilasa” en 1932. La confirmación de su estructura como tiamina-pirofosfato (TPP, por sus siglas en inglés) vino 5 años después. Su nombre significa una vitamina que contiene azufre (thios en griego).

Reacciones en las que está involucrada:

1. Complejo piruvato-deshidrogenasa en mitocondrias.

2. Complejo α-cetoglutarato-deshidrogenasa en mitocondrias.

3. Deshidrogenasa de cadena ramificada.

4. Reacciones de transcetolasa en la ruta de la pentosa y en la ruta reductora de pentosa en la fotosíntesis.

La estructura de la tiamina tiene dos anillos puenteados por un grupo metileno. La coenzima (TPP) surge vía una pirofosforilación del grupo alcohol primario dependiente de ATP. Lo que puede llamarse el sitio activo de la coenzima es el carbono en la posición 2 (C-2) del anillo más pequeño de tiazolio de 5 miembros. Una posición favorable de C-2 entre átomos de nitrógeno y azufre causa que el hidrógeno en C-2 intercambie protones con agua, indicando que C-2 se puede ionizar a carbanión.

Como un carbanión, C-2 es capaz de unirse a centros positivos como carbono carbonilo de α-cetoácidos y cetoazúcares. En la reacción con piruvato, α-cetoglutarato o α-cetoácidos de cadena ramificada de valina, leucina o isoleucina, un grupo carboxilo es expelido como CO2 y los electrones permanecen con el “aldehído activo” en la posición C-2.

El ataque en el cetoazúcar separa los primeros 2 carbonos como una unidad, que luego se une a C-2 como un aducto “glicoaldehido activo”. La levadura separa el aldehído activo como acetaldehído más tarde para ser reducido a etanol por alcohol-deshidrogenasa. Las bacterias convierten al aldehído activo en acetil-fosfato. En las mitocondrias de los organismos superiores, sin embargo, el aldehído actico es oxidado por una enzima que contiene FAD (parte del complejo piruvato-deshidrogenasa) y transferido al ácido lipoico, el cual transfiere el grupo acetilo altamente energético al grupo tiol de la coenzima A.

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Como una coenzima para transcetolasas en la ruta de la pentosa, TPP toma parte en la formación de ribosa-5-fosfato, gliceraldehido-3-fosfato y eritrosa-4-fosfato a partir de sedohepulosa-7-fosfato, xiulosa-5-fosfato y frutosa-6-fosfato, respectivamente. Cada fosfato de azúcar dona un glicoaldehido activo a un aceptor de aldosa.

TPP es también la coenzima para deshidrogenasa de cadena ramificada, la enzima que cataliza la descarboxilación oxidante de α-cetoácidos derivados de leucina, isoleucina y valina, tres aminoácidos esenciales. La reacción sigue un esquema similar a la oxidación de piruvato, aunque el esqueleto de carbono del aminoácido se condensa con la coenzima A (CoA).

Riboflavina (vitamina B2)

La primera pista de que la vitamina B de McCollum era en realidad un complejo multifactorial surgió cuando la levadura sin actividad antineuritis retenía la actividad estimuladora del crecimiento. Originalmente llamada vitamina G, la riboflavina fue renombrada vitamina B2 cuando se reconoció como parte del complejo B de la levadura. El nombre riboflavina siguió al descubrimiento en 1935 de su asociación con el pigmento fluorescente verde del suero.

En la actualidad nos referimos a riboflavina y niacina como las 2 principales vitaminas que dan lugar a coenzimas que funcionan con enzimas conocidas como oxidoreductasas. Ambas coenzimas transportan electrones hacia y desde los sustratos, formando así productos oxidados o reducidos. Las dos con conocidas como coenzimas redox (abreviatura de oxidación-reducción) por esta razón.

La riboflavina fue identificada como el compuesto bioquímico que daba el color a la enzima amarilla de Warburg, glucosa-6-fosfato-deshidrogenasa (G6PDH, por sus siglas en inglés). Se notó que G6PDH catalizaba la transferencia de electrones de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH) a azul de metileno, un tinte sensible a redox que pierde el color por reducción, sugiriendo que la riboflavina probablemente mediaba el intercambio de electrones. G6PDH es un punto clave de entrada para glucosa en la ruta de la pentosa y un colaborador importante de NADPH para la biosíntesis de ácidos grasos y otras grasas.

Riboflavina está asociada con 2 coenzimas, mononucleótido de flavina (FMN, por sus siglas en inglés) y dinucleótido de flavina y adenina (FAD, por sus siglas en inglés). FMN es formado por fosforilación del alcohol primario en la parte azúcar de riboflavina, una reacción dependiente de ATP. FAD resulta de la condensación adicional de FMN con la parte 5’ AMP del ATP. Lo que puede ser considerado el sitio activo es el anillo de isoaloxacina, que puede existir en estado oxidado o reducido, dependiendo de la ausencia o presencia de pares de electrones, respectivamente.

Las enzimas que contienen FAD o FMN son referidas como flavoproteínas. FMN está limitado a las proteínas de membrana del sistema de transporte de electrones en la mitocondria, mientras que FAD se encuentra tanto en las enzimas unidas a la membrana como en las solubles. El cofactor de flavina se une covalentemente a la estructura, previniendo la separación durante los procedimientos de purificación.

Las enzimas de flavina están diseñadas para remover (y agregar) electrones hacia y desde los sustratos. En general, las coenzimas de flavina son agentes oxidantes más fuertes que las coenzimas de pirimidina (NAD+ y NADP+) y tienden a participar en reacciones más complejas. También, las coenzimas de flavina pueden aceptar electrones únicos de un donador, formando

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una semiquinona y permitiendo a las flavoproteínas tomar parte en reacciones que forman radicales libres. Tener un solo electrón también permite a las flavinas unirse a oxígeno molecular como un complejo hidroxiperoxilo.

Niacina (vitamina B3, ácido nicotínico, nicotinamida)

La niacina resulta interesante, ya que su compuesto padre, el ácido nicotínico, ha sido conocido desde 1867, mientras que su actividad como vitamina fue reconocida en 1937. Si tiamina es el factor anti-beriberi, la niacina es el factor anti-pelagra. La pelagra es una enfermedad caracterizada por dermatitis en áreas de la piel expuestas a la luz solar, así como inflamación en las piernas, desde la rodilla hacia abajo, además de enrojecimiento doloroso y comezón.

La niacina es el componente activo de la segunda mayor coenzima redox, nicotinamida adenina dinucleótido y su fosfato (NAD+ y NADP+, respectivamente). Como con FMN y FAD, NAD+ y NADP+ surgen por fosforilación y condensación de la estructura básica de la vitamina con ATP. NAD+ difiere de NADP+ por tener un grupo fosfato en la posición 3’ de la pentosa más cercana a la adenina. NAD+ y NADH fueron descubiertos en extractos dializables de levadura, lo que significa que estas coenzimas se separaban fácilmente de la enzima que las unía. La habilidad para unirse y separarse de la enzima es fundamental para la entrega de electrones.

Con algunas excepciones, las reacciones relacionadas a redox de NAD+ y NADP+ son con enzimas deshidrogenasas, enzimas que catalizan la remoción y adición de electrones (como iones hidruro) a sustratos. Una reacción típica en la cual NAD+ es el agente oxidante es la conversión de ácido L-láctico a piruvato. Por lo tanto, la coenzima es el principal participante en las reacciones catabólicas productoras de energía.

NADP+ tiene un menor papel catabólico, pero su forma reducida, NADPH, es un importante reductor en las reacciones anabólicas, especialmente la biosíntesis de ácidos grasos y otros lípidos.

El sitio activo tanto de NAD+ como de NADP+ es el anillo de nicotinamida. La forma oxidada de nicotinamida tiene un nitrógeno cuaternario (4 uniones), descrito como una carga positiva. El anillo oxidado acepta 2 electrones y un protón del sustrato (literalmente un ión hidruro, H-) reduciendo el anillo y aboliendo la carga positiva en el nitrógeno.

Se conocen más de 200 enzimas que catalizan reacciones en las cuales NAD+ o NADP+ aceptan un ión hidruro del sustrato. Adicionalmente, hay una fuerte estereoespecificidad para esta reacción. La adición de un H- al anillo puede ser en el frente (tipo A) o en la espalda (tipo B), dependiendo de la enzima. Reducir el anillo debilita su unión a la enzima y causa que NADH (o NADPH) se disocie y se una a otros componentes celulares con el propósito de transferir los electrones.

NAD+ es también una fuente de 5’ adenosina-monofosfato (5’AMP, por sus gilas en inglés) en una serie limitada de reacciones de activación o inhibición. El 5’AMP transferido se vuelve un grupo que se separa para la subsecuente formación de unión. En la DNA-ligasa en bacterias, por ejemplo, el 5’AMP es transferido a una lisina en la enzima para formar un aducto fosfoamida inusual, que subsecuentemente es transferida a una de las cadenas de DNA. El ataque por el grupo 3’ hidroxilo en la cadena adyacente de DNA libera el 5’AMP concomitante con la formación de una unión fosfodiester, sellando juntas las 2 cadenas de DNA.

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Una reacción relacionada, conocida como ribosilación-ADP resulta en la separación del grupo nicotinamida del NAD+ y la parte ribosa forma una unión glicosilamina covalente con una proteína. La ribosilación-ADP de proteínas sensibles es uno de los efectos más mortales de las toxinas bacterianas como la toxina del cólera, la de la difteria o la de la tosferina.

Piridoxina (vitamina B6)

La vitamina B6 fue descubierta en los 1930s y nombrada piridoxina debido a su parecido estructural con la piridina. El mayor involucramiento de la piridoxina es con una familia de enzimas conocidas colectivamente como aminotransferasas. Estas enzimas intercambian grupos amino de aminoácidos a α-cetoácidos. Nombres familiares incluyen la glutamato-oxalato-transaminasa de suero (SGOT, por sus siglas en inglés). La coenzima, piridoxal-5’-fosfato (PLP, por sus siglas en inglés), es la forma predominante y es sintetizada en una reacción de 2 etapas que involucra la oxidación del grupo hidroximetilo en la posición para del anillo de piridina a un aldehído, y la fosforilación del grupo hidroximetilo en la posición 5.

PLP es también una coenzima para glicógeno-fosforilada y ornitina-descarboxilasa. Con tetrahidrofolato, PLP toma parte en la interconversión serina a glicina. En la superficie de la enzima, la especie reactiva no es un aldehído, sino más bien una aldamina formada por una unión base Schiff entre el aldehído y un grupo ε-amino de lisina en el sitio activo.

La reactividad de PLP se debe a varias características. Primero, el carbonilo (aldehído) en el anillo está posicionado para unirse a los grupos amino de aminoácidos y unir el aminoácido a la enzima. A través de una serie de rearreglos de electrones promovidos por la PLP, el nitrógeno en el sustrato aminoácido es separado y el esqueleto de carbono (un α-cetoácido) es liberado, reteniendo el grupo amino en la coenzima (piridoxamina-5’-fosfato). La enzima entonces se une a un segundo α-cetoácido y transfiere el grupo amino, generando un nuevo aminoácido y restaurando la función carbonilo en la PLP.

Otros cambios también pueden ocurrir a la estructura ligada. Un rearreglo de electrones puede resultar en la pérdida de un grupo carboxilo (como CO2) o una molécula de H2O. Así, las enzimas PLP pueden también participar en reacciones de descarboxilación y deshidratación.

En la reacción de glicógeno-fosforilasa, el grupo fosfato de la coenzima actúa como un catalizador general, promoviendo el ataque de fosfato en la unión glicosídica del glicógeno.

Ácido fólico

El ácido fólico fue reconocido por primera vez como el factor levadura o hepático que podía curar una anemia megaloblástica severa en pollos, monos y humanos. La prueba posterior de que la substancia activa era un factor de crecimiento para ciertas bacterias como Lactobacillus casei y Streptococcus faecalis proporcionó un bioensayo rápido para el aislamiento, identificación y eventual síntesis de la vitamina y sus coenzimas.

El nombre ácido fólico fue dado en 1941 en reconocimiento de su abundancia en verduras de hoja verde y su estructura fue confirmada como ácido monopteroilglutámico en 1946. En la actualidad, reconocemos al ácido fólico como una de las coenzimas de vitaminas más complejas, debido a su

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presencia en muchas formas bioquímicas. A pesar de su enorme complejidad, sin embargo, el papel bioquímico del ácido fólico se angosta a un juego específico de reacciones sintéticas cuyo común denominador es las unidades de un carbono.

La estructura del ácido fólico (ácido N-pteroil-L-glutámico) comprende un compuesto formado por 3 moléculas unidas covalentemente: un anillo metilado de pteridina unido a un ácido ρ-aminobenzoico (PABA, por sus siglas en ingles), que a su vez está unido vía el grupo carboxilo al α-nitrógeno del ácido glutámico.

La forma coenzima es el tetrahidrofolato (FH4, por sus siglas en inglés) formado en los mamíferos por adición de 4 electrones y 4 hidrógenos al anillo de pteridina. La reducción es catalizada por dihidrofolato-reductasa con NAPDH como donador de electrones. La adición de uno o más residuos de ácido glutámico completa la estructura. En la etapa reductora, un nuevo centro asimétrico es generado en C-6 y parece ser crítico para el papel biológico, sado que solamente un estereoisómero de este centro es activo. FH4 puede tener hasta 7 residuos de ácido glutámico y existir en muchas diferentes formas químicas, la mayoría de las cuales es interconvertible.

Las reacciones básicas tienen lugar en las posiciones N5 y N10 en la molécula, las que sirven como puntos de anclaje para las unidades de un carbono en tránsito. N10-formilo-FH4 y N5,N10-metilenilo-FH4 son 2 formas sintéticas biológicamente activas. Los complejos de N5-formilo-FH4 (ácido folínico) transfieren grupos formilo a sustratos específicos. Los derivados activos de ácido fólico tienen carbono en el estado de oxidación de formato así como formaldehido (metileno), y un derivado de metilo, N5-metilo-FH4 se conoce por tomar parte en a conversión enzimática de homocisteina a metionina. Estas observaciones revelan que la familia de coenzimas de ácido fólico es bastante compleja pero todas parecen involucrar la unión de un solo átomo de carbono al sustrato.

Las enzimas que requieren ácido fólico participan en lo que se conoce como el metabolismo de un carbono. Esto toma la forma de transferencias de grupo, involucrando grupos metilo, grupos formilo, grupos formimino y grupos metileno. El ácido fólico no toma parte en acetilaciones o carboxilaciones.

En tal vez su único requerimiento importante como un donador de grupo metilo, N5-metilo-FH4 es necesario por la enzima homocisteina-metiltransferasa para sintetizar (regenerar) metionina a partir de homocisteina. Esta reacción también utiliza un derivado metilado de la vitamina B12 para mediar la transferencia de grupo. Otra importante reacción es la interconversión de serina y glicina; la reacción requiere el derivado N5,N10-metilenilo-FH4.

En la actualidad, la lista de reacciones catalizadas por folato es bastante larga e incluye unidades de un carbono en la síntesis de un anillo de purina en los ácidos nucleicos, metilación de DNA y RNA, la biosíntesis de timidina, biosíntesis de colina y S-adenosilmetionina (SAM, por sus siglas en inglés) y el catabolismo de histidina y tirosina.

Biotina

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El interés temprano en la biotina involucraba el llamado factor de daño de clara de huevo. Cuando se confirmó que el daño en la clara de huevo era causado por una deficiencia y no una toxicidad, la búsqueda de la substancia faltante llevó eventualmente al descubrimiento de biotina. La investigación en la vitamina llevó a un nuevo concepto en nutrición, el de las antivitaminas –o sustancias capaces de detener la acción de las vitaminas antes de su uso como cofactores. En el caso de biotina, la antivitamina resultó ser la proteína avidina, que se une a la biotina tenazmente y limita su absorción intestinal.

La biotina puede ser vista como otro cofactor de un carbono, pero para biotina este es CO2. Así, las enzimas que requieren biotina catalizan reacciones de carboxilación, descarboxilación o transcarboxilación.

La forma activa de la biotina es la biocitina (ε-N-biotinilo –L-lisina), formada por la unión covalente de la cadena lateral de biotina al grupo ε-amino de un residuo de lisina en la apoenzima, catalizada por una sintetasa específica. La condensación requiere ATP y procede vía un intermediario biotinilo-AMP con la apoenzima catalizando la formación de la unión amida. La estructura única resultante combina las cadenas alifáticas de biotina y lisina, permitiendo que la estructura de anillo de la biotina se extienda unos 14 Å de la superficie de la enzima.

El sitio activo en el grupo biotinilo es uno de los N en el anillo de 5 miembros. Un derivado N-carboxilo sirve como donador de CO2 a un aceptor de sustrato apropiado. La reacción ocurre en 2 etapas y requiere una formación ATP-dependiente de una carboxilo-biotinilo-enzima. Si la enzima es una carboxilasa, hay 2 tipos principales de sustrato: 1) derivados de acilo-CoA, que incluye acetil-CoA y propionilo-CoA; y 2) simples α-cetoácidos como el piruvato. Cada sustrato debe contener un grupo carbonilo adyacente a o conjugado con el carbón que recibe el grupo carboxilo de la carboxilo-biocitina.

Tal vez las enzimas biotina-carboxilasa más familiares en los sistemas mamíferos son acetilo-CoA carboxilasa en la biosíntesis de ácidos grasos, propionilo-CoA-carboxilasa en el catabolismo de ácidos grasos de cadena impar, piruvato-carboxilasa en gluconeogénesis y β-metilo-crotonilo-CoA-carboxilasa en el catabolismo de leucina.

Ácido pantoténico

El ácido pantoténico fue nombrado por Williams, quien reconoció su ubicua presencia en tejidos de todos los organismos y en todas las fuentes de alimento. La forma coenzima, CoA, fue descubierta mucho antes que la vitamina; las investigaciones de la subestructura de CoA llevaron a un entendimiento de cómo la coenzima era sintetizada. La CoA era conocida como un cofactor dializable esencial para la acetilación de sulfonilamida y colina. De hecho, la designación “A” en CoA reconocía la importancia de las reacciones de acetilación.

La primera pista sobre la estructura de la vitamina surgió cuando digestos de CoA con fosfatasa intestinal y extractos de hígado mostraron contener β-alanina y ácido pantoténico como productos de la hidrólisis. Tratando la CoA con una 3’-nucleotidasa específica se inactivó la coenzima a un producto conteniendo pantoteno que podría ser restaurando a CoA por adenilación con ATP. Estos estudios mostraron que el ácido pantoténico era un componente esencial de CoA y que estaba ligado a la estructura de una coenzima algo compleja.

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Como un componente importante de CoA y sus derivados, el ácido pantoténico está involucrado en reacciones de acetilación, que incluyen la síntesis de aceto-acetilo-CoA, un precursor del colesterol, y la biosíntesis de citrato a partir de acetato. CoA puede participar en reacciones de tio-transferencia de acilo tales como la aceptación de grupos acilo del ácido lipoico y la formación de acetilo-CoA, así como CoAs de acilos grasos. El pantoteno también se encuentra como grupo prostético (4’-pantoteno) unido a un residuo de serina de la proteína transportadora de acilo (ACP, por sus siglas en inglés), que juega un importante papel en la biosíntesis de ácidos grasos.

Cobalamina (vitamina B12)

Pocas vitaminas han sido más complicadas para los estudios de estructura-función que la vitamina B12. Entre sus muchas características únicas, es la única coenzima vitamina conocida por tener un ion metal de transición (cobalto) coordinado a su estructura. El metal permite una química inusual.

La vitamina está presente en una variedad de alimentos, pero está casi ausente en las plantas. Aunque la vitamina puede ser sintetizada de novo por la flora intestinal, el sitio de absorción está anatómicamente antes del sitio de síntesis en el intestino, lo que significa que poco beneficio se obtiene de la síntesis endógena.

El aislamiento de la forma activa de la vitamina significó el desarrollo de un ensayo in vitro para la anemia perniciosa, una de los síntomas de deficiencia. En 1950, Shive introdujo un ensayo en el cual homocisteina era convertido a metionina en una reacción dependiente de B12. Un segundo ensayo fue esencial para la interconversión de L-glutamato y β-metilo-aspartato. El último descubrimiento llevó al aislamiento de 5’-adenosilcobalamina, la principal forma activa de la vitamina.

El núcleo de la vitamina consiste de un anillo de corrina con un átomo central de cobalto. La corrina contiene 4 anillos de pirrol unidos, lo que vagamente recuerda estructuralmente el anillo de porfirina en heme. Una forma inactiva de la vitamina contiene un grupo CN desplazable unido al cobalto; de ahí el nombre temprano cianocobalamina para una de sus formas más familiares.

El átomo de cobalto en el anillo puede tener un estado de oxidación +1, +2 o +3. La quinta valencia (debajo del plano del anillo) tiene un dimetilbencimidazol unido al cobalto y la sexta puede ser un grupo metilo, un grupo hidroxilo o un grupo 5’-desoxiadenosilo, dependiendo de la reacción o de la enzima.

La forma más común, 5’-desoxiadenosilcobalamina surge del ataque en el carbono 5’ de ATP por Co+, el cual desplaza al grupo trifosfato del ATP, una rara acción en bioquímica.

Las enzimas conocidas que requieren B12 entran en una de 2 categorías funcionales: aquellas que transfieren grupos metilo de la coenzima al sustrato, y aquellas que toman parte en los rearreglos posicionales de grupos vecinos en el sustrato o en reacciones de transferencia de grupo.

Las reacciones de metilación en los sistemas mamíferos que involucran B12 están limitadas a la transferencia de grupo metilo a homocisteina para formar metionina. N5-metilo-FH4 es el donador de grupo metilo en la reacción y B12 media la transferencia. Restaurando el grupo metilo en metionina prepara al sistema para metilación adicional, dado que la metionina misma, actuando a

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través de su forma activa, S-adenosilmetionina, es un donador primario de grupos metilo a otros sustratos.

Existe un interés considerable en las reacciones de la vitamina B12 que tienen radicales libres como intermediarios. Esta puede ser una de las principales ventajas de la coenzima, la habilidad para formar y retener un radical libre estable en su estructura. La estabilidad del radical libre es debida a la química inusual del ion cobalto.

Ácido ascórbico

La vitamina C (ácido L-ascórbico), ligada con el escorbuto, se conoce por ser un cofactor para 2 enzimas que participan en la biosíntesis de colágeno, la principal proteína del tejido conectivo; la formación de residuos de hidroxiprolina e hidroxilisina, catalizada por las enzimas prolil-hidroxilasa y lisil-hidroxilasa, respectivamente. El colágeno es un componente esencial de la matriz extracelular.

Como un cofactor para dopamina-β-monooxigenasa, el ácido L-ascórbico es requerido también para la síntesis de adrenalina y noradrenalina en la médula adrenal. Otro importante papel no cofactor del L-ascorbato es como un antioxidante en células y la sangre.

Vitamina K

El papel antihemorrágico de la vitamina K había sido establecido mucho antes de darse cuenta de que la vitamina sin modificación estructural era esencial para la biosíntesis de protrombina funcional. Las 3 formas de la vitamina, filoquinona (vitamina K1), menaquinona (vitamina K2) y menadiona (vitamina K3, que es una forma sintética) difieren solamente en la estructura de sus cadenas laterales.

La vitamina K participa en una amplia serie de reacciones de carboxilación que involucran todos los residuos de ácido glutámico en la primera mitad de la protrombina, un factor de coagulación sanguínea. Los residuos de ácido carboxiglutámico o “gla” que ocupan esta región de la molécula de protrombina, son capaces de unirse a los iones calcio necesarios para catalizar la formación de trombina.

La carboxilación es dependiente de oxígeno y utiliza la forma hidroquinona de la vitamina como la fuerza regidora. La warfarina, un inhibidor de la coagulación, interfiere con la reacción de carboxilación, lo que explica el mecanismo básico de este inhibidor. Un sustrato sintético, Pro-Leu-Glu-Glu-Val substituye a protrombina en la reacción, abriendo el camino para aprender los detalles finos del mecanismo de reacción y el papel específico de la vitamina K.

Cofactores no vitamínicos

Además de las coenzimas-vitamina, hay varios cofactores que no cumplen la categoría general de cofactores derivados de vitamina. No obstante, estos cofactores orgánicos son componentes esenciales de los mecanismos catalíticos de enzimas importantes o sistemas de enzimas unidos a membrana.

Acido lipoico

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El papel del ácido lipoico como un factor de crecimiento para microorganismos y como un cofactor para reacciones bioquímicas en todos los organismos ha quedado claro. El cofactor fue descubierto originalmente en la conversión de piruvato a acetato y como un factor esencial para la oxidación de piruvato.

El ácido lipoico es conocido por su asistencia a α-cetoácido-deshidrogenasas de una variedad de organismos. Está normalmente unido al grupo ε-amino de un residuo de lisina (análogo a biotina), permitiendo que el cofactor se extienda lejos de la superficie de la enzima.

Las reacciones que tienen lugar en el complejo piruvato-deshidrogenasa revelan mejor la función como cofactor del ácido lipoico. Como cofactor, el ácido lipoico (ácido 6,8-dithiooctanoico) existe tanto en la forma oxidada (disulfuro) como en la forma reducida. La forma disulfuro oxida el acetaldehído activo unido a TPP simultáneamente con la transferencia de un producto acetato a uno de los grupos SH del ácido lipoico ahora reducido. Como un tioester, el grupo acetato es subsecuentemente transferido a CoA formando acetilo-CoA y regenerando un grupo SH libre en el ácido lipoico.

El ácido lipoico reducido, que todavía contiene los electrones, es luego oxidado por una flavoproteína (FAD) restaurando el grupo disulfuro del ácido lipoico por otra ronda de catálisis. Eventualmente FADH2 pasa los electrones a NAD+, que se une a la cadena de transporte de electrones de las mitocondrias. El ácido lipoico es entonces un agente oxidante y un portador de acetato en la reacción. Uno puede imaginarse el largo brazo del cofactor oscilando entre sitios en las subunidades a fin de desempeñar las múltiples reacciones en sincronía con los eventos catalíticos que tienen lugar.

Carnitina

La carnitina es fácilmente sintetizada a partir de lisina. Como un cofactor, la carnitina toma parte en el sistema de enzima unido a membrana que transporta ácidos grasos hacia la mitocondria para la oxidación energética. Dos enzimas, carnitina-acilo-transferasa I y carnitina-acilo-transferasa II, comprenden un ciclo que entrega el ácido graso como un derivado de acilo-carnitina al interior de la mitocondria y regresa la carnitina al lado citosólico para transporte adicional.

La estructura de la carnitina, con su c grupo hidroxilo en C-3 es idealmente adecuado para la formación de una unión acilo con un ácido graso.

Coenzima Q (ubiquinona)

Detectada primero en los extractos lípidos de mitocondrias e identificada como una quinona, la coenzima Q (CoQ) fue llamada así para significar su papel como cofactor en reacciones de oxidación. Un segundo grupo de investigadores descubrieron un cofactor que tenía ocurrencia ubicua en procesos oxidantes, que llamaron ubiquinona. Con el tiempo se encontró que CoQ y ubiquinona eran el mismo compuesto.

Estudios tempranos en la cadena de transporte de electrones en la mitocondria mostraron al menos 3 complejos que requerían CoQ y reconocieron su papel esencial en el proceso global de transferencia de electrones. CoQ puede ser sintetizada en el hombre a partir de tirosina en una síntesis algo compleja.

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CoQ y sus forma reducida, CoQH2, están diseñadas para manejar pares de electrones en tránsito en las reacciones de oxidación-reducción (redox). Una tercera forma, semiquinona (CoQH-) existe como un radical estable y es capaz de transferencia de un electrón. Debido a su habilidad para tratar con electrones en una base sencilla o en pares, CoQ participa en cadenas de transporte de electrones en donde las transferencias de 1 o 2 electrones son esenciales.

Su naturaleza lípida permite al cofactor unirse firmemente a la membrana interna de la mitocondria. Además de ser un prominente transportador de electrones en la cadena de transporte de electrones de la mitocondria, CoQ se conoce como una fuente y mediador de protones que son bombeados a través de la membrana interna de la mitocondria para formar el gradiente de protones de alta energía asociado con la fosforilación oxidante.

Pirroloquinolina quinona (PQQ) y 6-hidroxidopa (topa) quinona

Un cofactor conocido por estar presente en bacterias metilogéncias y otros microorganismos, PQQ fue inicialmente considerada un cofactor para cobre-amino-oxidasas de mamíferos y otras enzimas de cobre. Su naturaleza esencial llevó a algunos investigadores a considerar a PQQ una vitamina sin descubrir. Esto, sin embargo, resultó no ser el caso y PQQ como cofactor ahora ha sido relegado al mundo de los microorganismos. Lo que al principio se pensó que era PQQ en cobre-oxidasas resultó ser un cofactor con propiedades de quinona, derivado por modificación de un residuo de tirosina en la enzima.

La síntesis de 6-hidroxi (topa) quinona, un derivado de tirosina, requiere cobre en una reacción aparentemente autocatalítica. Aunque rara y limitada, esta reacción bioquímica altamente inusual abre un nuevo capítulo en los cofactores, mostrando que algunas enzimas tienen una capacidad limitada pero específica para sintetizar cofactores en su superficie a través de modificación de las cadenas laterales de aminoácidos existentes.

Otros compuestos orgánicos

Hay varios compuestos orgánicos naturales que no cumplen totalmente la descripción de cofactores, aunque han sido identificados por su participación en la estabilización de enzimas, o por tomar parte en una serie selecta de reacciones.

Se incluyen aquí en el entendido de que algunos se pueden comportar más como sustratos que como cofactores.

Glutatión

El glutatión es una tripéptido de ocurrencia natural, que se sabe existe en cantidades milimolares dentro de las células. La forma reducida (GSH) tiene grupos SH expuestos, asociados con un residuo interno de cisteína, que figura prominentemente en la estabilidad de enzimas con grupos SH en el sitio activo.

Glutatión participa en muchas reacciones biológicas como el transporte de aminoácidos, transporte de metales pesados y con la actividad antioxidante. Su papel como cofactor, sin embargo, no debe ser pasado por alto, pues GSH ha demostrado activar muchas enzimas o retener su efectividad catalítica durante los ensayos, lo que hace sospechar, con justificación, que esta podría ser una de las funciones de GSH in vivo.

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Betaína

Betaína (N,N,N-trimetilglicina) surge a partir de colina por una reacción de oxidación. La estructura es una derivado trimetilo de glicina. Betaína aparece en cantidades muy pequeñas en las células y se ha demostrado que es un donador de metilo para un número limitado de reacciones, en las que se destaca la síntesis de metionina a partir de homocisteina.

S-adenosilmetionina

Considerar a S-adenosilmetionina (SAM, adomet) un cofactor es reconocer su papel en una multitud de reacciones que transfieren grupos metilo a los sustratos. Así, SAM está involucrada en una serie extensa de reacciones de metilación que sobrepasan las metilaciones de N5-metilo-FH4 o metilo-cobalamina combinadas.

El grupo metilo transferido es el carbón terminal de metionina. Para activar el grupo metilo, metionina reacciona con ATP, agregando un grupo adenosilo al átomo de azufre y causando una especie donadora de metilo de alta energía a la forma.

Aunque SAM es tal vez más un sustrato que un cofactor, su inclusión aquí es para denotar la importancia de metionina y su forma reactiva, SAM, en una serie de reacciones biosintéticas extremadamente importantes.

3’-fosfoadenosina-5’-fosfosulfato (PAPS, por sus siglas en inglés)

PAPS es un cofactor para las reacciones de sulfatación, un proceso confinado casi por completo a plantas y bacterias, pero que incluye una reacción metabólica importante en los humanos. PAPS sirve como un agente activo para la esterificación de sulfato, como en la síntesis de polisacáridos sulfatados como sulfato de condroitina, sulfato de queratina y heparina.

De las 2 docenas de cofactores orgánicos descubiertos, las estructuras de más de la mitad son derivadas de los núcleos de las vitaminas, primariamente las vitaminas hidrosolubles B. Como compañeros de las enzimas, los cofactores orgánicos se relacionan a todas las formas de vida.

Aunque tendemos a pensar que las vitaminas son requeridas solamente por los organismos superiores, muchos factores orgánicos fueron diseñados para servir exclusivamente con las enzimas, y las imperfecciones en los sistemas de enzimas que dieron a las vitaminas su carácter esencial, fueron revelados en sistemas de bacterias y levaduras mucho antes de conocerse en humanos. La permanencia de las reacciones dependientes de cofactores en microorganismos y humanos ha sido notable, una ilustración del principio estructura-función de la bioquímica.

Aun así, no debemos olvidar el hecho de que el estudio de cofactores ha brindado un enfoque más agudo en el papel de los componentes dietarios en la salud y nutrición humanas. Los nutriólogos tienen el reto de conocer todas las funciones de todos los cofactores, ya que dicha información proporciona pistas fundamentales en el plano químico que aplica a un amplio espectro de organismos a nivel molecular.

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