Cofaktor (Biochemie)

Grundbegriff und Einteilung

Ein Cofaktor oder Kofaktor ist eine Nicht-Protein-Komponente, die ein bestimmtes Enzym zusätzlich zu dessen Proteinanteil für die katalytische Aktivität benötigt. Ein Enzym mit gebundenem Cofaktor heißt Holoenzym, ohne Cofaktor Apoenzym. Wasser zählt trotz seiner häufigen Beteiligung an Reaktionen weder als Cofaktor noch als Substrat, weil es ubiquitär vorkommt.

Cofaktoren sind entweder anorganische Metall-Ionen oder organische Moleküle, die nicht aus Aminosäuren aufgebaut sind und bei der Enzymreaktion verändert werden. Die organischen Cofaktoren werden als Coenzyme zusammengefasst. Die Begriffe sind nicht immer exakt abgrenzbar; verschiedene Autoren verwenden daher teils unterschiedliche Definitionen und Klassifizierungen.

Coenzyme, Cosubstrate und prosthetische Gruppen

Ein Cosubstrat ist ein niedermolekulares organisches Molekül, das nicht-kovalent an ein Enzym bindet und nach der Katalyse wieder dissoziiert. Während der Reaktion nimmt es funktionelle Gruppen, Protonen, Elektronen oder Energie auf oder gibt sie ab. Es verlässt die Reaktion verändert und muss anschließend meist in einer nachgeschalteten Reaktion regeneriert werden. Weil es sich eher wie ein Substrat als wie ein Enzym verhält, ist die Bezeichnung Cosubstrat oft treffender als Coenzym. Anders als ein Coenzym wird ein allosterischer Effektor dabei nicht chemisch verändert.

ATP ist ein häufiges Cosubstrat: Durch Abspaltung einer energiereichen Phosphatgruppe entsteht ADP oder AMP; ATP liefert Energie und kann Phosphat auf ein Substrat übertragen. ADP kann Phosphat vom Substrat aufnehmen. Weitere wichtige Coenzyme sind NAD und NADP: NAD+ beziehungsweise NADP+ sind Elektronen- und Protonenakzeptoren und damit Oxidationsmittel, NADH beziehungsweise NADPH Elektronen- und Protonendonatoren und damit Reduktionsmittel. FAD ist ein Derivat von Vitamin B2; FAD wirkt als Akzeptor, FADH2 als Donator. Zu den genannten Coenzymen zählen außerdem Pyridoxalphosphat aus Vitamin B6, Tetrahydrofolsäure (Coenzym F) aus Vitamin B9, Cobalamine (Coenzym B12), Ascorbinsäure aus Vitamin C, Coenzym A, Ubichinon-10 (Coenzym Q10) und α-Liponsäure.

Eine prosthetische Gruppe ist dagegen fest, meist kovalent, an ein Protein gebunden. Sie besitzt katalytische Wirkung und kann wegen der hohen Affinität nicht dissoziieren. Wird sie während der Katalyse verändert, muss sie am Enzym selbst regeneriert werden. Beispiele sind Biotin in Carboxylasen, Häme im Hämoglobin, Cytochrom c und der Cytochrom-c-Oxidase, Flavine in Flavoproteinen, Moco in Molybdoenzymen wie der Xanthinoxidase sowie FeMo in der Nitrogenase.

Typische organische Cofaktoren

Pyridoxalphosphat ist aktiviertes Pyridoxin (Vitamin B6) und ein Coenzym im aktiven Zentrum von Transaminasen. Im ersten Schritt katalysiert es die Desaminierung von Aminosäuren zu alpha-Ketosäuren; dabei entsteht Pyridoxaminphosphat. Im zweiten Schritt wird die Aminogruppe auf eine andere alpha-Ketosäure übertragen. Dieser Ablauf heißt ping-pong-bi-bi-Mechanismus nach Wallace W. Cleland. In diesem Fall wird Pyridoxalphosphat am Enzym regeneriert. Es ist außerdem Coenzym von Decarboxylasen, die Aminosäuren abbauen.

Coenzym A ist in freier und acetylierter Form an verschiedenen Schritten des Citratzyklus und des Fettsäurestoffwechsels beteiligt. FAD und NAD wirken bei Abbauschritten im Citratzyklus und in der Glykolyse als Elektronen- und Protonenakzeptoren oder -donatoren und vermitteln damit den Elektronentransfer zwischen Edukten. NADP übernimmt eine vergleichbare Aufgabe bei Aufbauprozessen in umgekehrter Richtung, etwa bei der Biosynthese von Fettsäuren. FAD kann kovalent an Enzyme gebunden sein; dies wird bei etwa 10 % aller Flavoproteine angenommen. Die Succinat-Dehydrogenase ist ein Beispiel.

Ubichinon, auch Coenzym Q, ist ein Elektronencarrier der oxidativen Phosphorylierung, also der aeroben Energiebereitstellung. In den Mitochondrien überträgt es durch Aufnahme und Abgabe von Elektronen beziehungsweise Protonen zwischen den membrangebundenen Proteinkomplexen I, II und III der Atmungskette.

Metallionen als Cofaktoren

Ionen von Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Cobalt (Co), Kupfer (Cu), Zink (Zn) und Molybdän (Mo) sind häufig Cofaktoren. Sie machen diese Metalle zu essentiellen Spurenelementen der Nahrung. Ein Enzym, das in seiner aktiven Form Metallionen enthält, heißt Metalloenzym. Das Metall kann die Proteinstruktur stabilisieren oder im aktiven Zentrum die Katalyse ermöglichen. Ist es entscheidend für die Enzymfunktion, wird sein Fehlen zu einem limitierenden Faktor.

Zink-Kationen weisen häufig auf eine Funktion als Lewis-Säure hin, beispielsweise in Peptidasen oder Zinkfingerproteinen. Allein aus einem Metallion kann jedoch nur ungefähr auf die Enzymfunktion geschlossen werden: Verschiedene Enzyme können denselben Cofaktor benötigen, und ähnliche Metalloenzyme können in verschiedenen Spezies unterschiedliche Metalle verwenden. Ursache ist meist die unterschiedliche Verfügbarkeit der Metalle im Lebensraum. Borrelia burgdorferi kann statt Eisen Mangan als Cofaktor verwenden; bei der Sauerstoffaktivierung kann Kupfer anstelle von Eisen eingesetzt werden.

Metalloproteine enthalten etwa Calcium oder Magnesium, wenn diese zwar Struktur und Faltung beeinflussen, aber nicht katalytisch wirken. Beispiele für Metalloenzyme sind Urease mit Nickel, Phenylalaninhydroxylase und Lipoxygenase mit Eisen, Carboanhydrase mit Zink, Superoxiddismutase mit Mangan, Xanthinoxidase mit Molybdän und Eisen sowie Cytochrom-c-Oxidase mit Kupfer und Eisen. Bei der Acireducton-Synthase aus Klebsiella pneumoniae bestimmt das Metall sogar das Produkt: Eisen oder Magnesium führen zu 4-Methylthio-2-ketobutyrat, Nickel zu 3-(Methylthio)propionat.

Hemmung durch Cofaktor-Analoga

Stoffe, deren Bindungseigenschaften denen eines Cofaktors ähneln, können ebenfalls mit dem Enzym komplexieren. Sie wirken als kompetitive Inhibitoren: Sie hemmen das Enzym, indem sie mit dem Cofaktor um dessen Bindungsstelle konkurrieren.