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B978-3-437-43690-1.10004-X

10.1016/B978-3-437-43690-1.10004-X

978-3-437-43690-1

Nicotinamidadenindinucleotide NAD+ und NADP+a) Struktur in reduzierter und oxidierter Form

b) Absorptionsspektren der Nicotinamiddinucleotide.

Struktur von Flavinadenindinucleotid in oxidierter (FAD) und reduzierter Form (FADH2). FMN besteht nur aus dem Isoalloxazin, Ribitol und einem Phosphatrest. Bei der Reduktion übernehmen zwei N-Atome des Isoalloxazinrings je ein Elektron und ein Proton, insgesamt also ein Molekül H2.

Reaktionsmechanismus der Coenzym-K-abhängigen Bildung von -Carboxyglutamat.

Reduzierte und oxidierte Form von Liponamid. Liponamid ist über eine Säureamidbindung kovalent an einen Lysinrest des Apoenzyms gebundene Liponsäure. Bei der Reduktion übernehmen die Schwefelatome unter Ringöffnung je ein Elektron und ein Proton (insgesamt H2).

Struktur und Redoxformen von Glutathion (-Glutamylcysteinylglycin).

Struktur von reduziertem und oxidiertem Ascorbat. Bei der Oxidation werden zwei Elektronen abgegeben. Dabei entsteht als Zwischenprodukt vorübergehend das Ascorbylradikal, das sofort unter Abgabe eines weiteren Elektrons zu Dehydroascorbat reagiert.

Grundstruktur der Eisenporphyrine. Die verschiedenen Derivate des Häms im Hämoglobin und in den verschiedenen Cytochromen unterscheiden sich durch die Reste R1–3.

ATP und Creatinphosphat. a) Struktur des wichtigsten energiereichen Nucleotids ATP b) Struktur von Creatinphosphat. Die energiereichen Anhydridbindungen sind durch dargestellt.

Struktur von PAPS (3-Phosphoadenosin-5-phosphosulfat).

Coenzym A. a) Struktur b) Thioesterbindung einer Acylgruppe an Coenzym A.

Biotin. a) Struktur von Biotin als prosthetische Gruppe. Es ist über einen Lysinrest an das Apoenzym gebunden. b) CO2-beladenes Biotin (Carboxybiotin).

Thiaminpyrophosphat. a) Struktur b) Aktivierung eines Hydroxyalkylrests durch Bindung an das reaktive Kohlenstoffatom im Thiaminpyrophosphat.

Tetrahydrofolat.

a) Struktur

b) Mit Formyl-, Methylen- und Methylgruppen beladenes Tetrahydrofolat

c) Methylierung von Homocystein (enthält eine CH2-Gruppe mehr als Cystein) zu Methionin. Dieses wird durch Reaktion mit ATP zu S-Adenosylmethionin aktiviert, das als CH3-Donor Coenzym beim Methylgruppentransfer ist.

Struktur und Reaktionen von Tetrahydrobiopterin.

Struktur von Coenzym B12 (Desoxyadenosylcobalamin). Im Vitamin B12 (Cobalamin) ist der Ligand an der sechsten Koordinationsstelle des Cobaltions Cyanid anstelle von Desoxyadenosin.

Coenzym-K-abhängige Proteine

Tab. 4.1
Gruppe Protein Funktion Synthese und Vorkommen
Gerinnungsproteine Faktor II (Prothrombin) Fibrinogenaktivierung Leber
Faktor VIIa Aktivierung von Faktor IX Leber
Faktor IX Komplexbildung mit Faktor VIIIa (Tenase-Komplex) und Aktivierung von Faktor X Leber
Faktor X Prothrombinaktivierung Leber
Protein C Inhibitor der Gerinnung, spaltet Faktor Va und VIIIa Leber
Protein S Inhibitor der Gerinnung, Cofaktor für Protein C Leber
Knochenproteine Osteocalcin (Knochen-GLA-Protein) Knochenmineralisation, Dentinbildung Osteoblasten
Matrix-GLA-Protein Calciumstoffwechsel Niere
ZNS-Wachstumsfaktor Gas6 Ligand der Tyrosin-Kinasen Axl und Sky/Rse Endothelzellen des ZNS
prolinreiche GLA-Proteine PRGP1, PRGP2 unbekannt Rückenmark, Schilddrüse
Protein Z Plasmaprotein unbekannt
Toxine Conotoxine Neurotoxine für NMDA-Rezeptoren Meeresschnecken

Enzymreaktionen mit Beteiligung von Liponsäure als prosthetische Gruppe

Tab. 4.2
Enzym Substrat Produkt
Pyruvat-Dehydrogenase Pyruvat Acetyl-CoA
-Ketoglutarat-Dehydrogenase -Ketoglutarat Succinyl-CoA
-Ketosäure-Dehydrogenase (verzweigte Kohlenstoffketten) Leucin, Isoleucin, Valinoxosäuren Isovaleryl-CoA
mitochondriales E3-Bindungsprotein E3 (Dihydrolipoyl-Dehydrogenase-Komplex) supramolekularer Komplex
Glycinspaltungssystem Glycin CO2 + NH4

Metallatome als essenzielle Cofaktoren einiger Metallproteine und Metallenzyme

Tab. 4.3
Cofaktor Metallproteine
Eisen (Fe) Ferritin, Cytochrom-Oxidase, Katalase
Zink (Zn) Transkriptionsfaktoren, Alkohol-Dehydrogenase, Proteasen, Carboanhydrase, alkalische Phosphatase, Carboxypeptidase A
Calcium (Ca) Calmodulin
Magnesium (Mg) Hexokinase, Pyruvat-Kinase, Glucose-6-phosphatase, DNA-Polymerase
Mangan (Mn) Arginase, Ribonucleotid-Reduktase
Molybdän (Mo) Sulfit-Oxidase, Aldehyd-Oxidase, Dinitrogenase, Xanthin-Oxidase
Kupfer (Cu) Cytochrom-Oxidase, Superoxid-Dismutase, Dopamin--Hydroxylase, Tyrosinase, Coeruloplasmin
Cobalt (Co) Methionin-Synthase (Cobalamin)
Nickel (Ni) Urease

Menschliche selenocysteinhaltige Proteine und ihre Funktion

Tab. 4.4
Selenoprotein Funktion Reaktion
Glutathion-Peroxidasen (1–4) Abbau von Peroxiden ROOH + 2 GSH ROH + GSSG + H2O R H, Cholesterin oder Fettsäure
Deiodasen (1–3) Stoffwechsel von Schilddrüsenhormonen und Iodthyroninen T4 (rT3, T3) + XH T3 (3,3-T2) + I + X+
Thioredoxin-Reduktasen (1–3) Reduktion von Disulfiden und verschiedenen Xenobiotika RSSR + 2 Trxred 2 RSH + 2 Trxox Xox + Trxred Xred + Trxox
Selenoprotein D2 Synthese von Selenophosphat SeO32– + ATP SeO3–PO32– + H2O + ADP
Selenoprotein P extrazelluläres Reduktans? Abbau von Peroxinitrit? ?
Selenoproteine W, H, I, O, V, S, p15, K, N, R, X, T unbekannt ?

Coenzyme

M. Schartl

  • 4.1

    Funktionen der Coenzyme 118

  • 4.1.1

    Allgemeine Eigenschaften118

  • 4.1.2

    Einteilung der Coenzyme118

  • 4.2

    Redoxcoenzyme 119

  • 4.2.1

    Nicotinamiddinucleotide, NAD+/NADP+119

  • 4.2.2

    Flavinnucleotide, FMN und FAD120

  • 4.2.3

    Chinone: Ubichinon, Coenzym K und Tocopherol121

  • 4.2.4

    Liponsäure, Glutathion123

  • 4.2.5

    Ascorbinsäure124

  • 4.2.6

    Häm und Eisenporphyrinsysteme125

  • 4.3

    Gruppenübertragende Coenzyme 125

  • 4.3.1

    Übertragung energiereicher Phosphatgruppen125

  • 4.3.2

    Übertragung von Sulfatgruppen126

  • 4.3.3

    Coenzym A126

  • 4.3.4

    Pyridoxalphosphat127

  • 4.3.5

    Biotin127

  • 4.3.6

    Thiaminpyrophosphat128

  • 4.3.7

    Folsäure und Pteridine128

  • 4.3.8

    Coenzym B12130

  • 4.3.9

    Dolicholphosphat130

  • 4.4

    Anorganische Cofaktoren 130

  • 4.4.1

    Schwermetallionen131

  • 4.4.2

    Selen132

Praxisfall

Der 56-jährige Hubert M., der seinem Hausarzt seit vielen Jahren als schwerer Alkoholiker bekannt ist, erscheint mit seiner Frau in der Praxis. Ihr war aufgefallen, dass er in letzter Zeit häufig Sehstörungen hat und dass er schielt. Außerdem sei er – auch wenn er nüchtern ist – verwirrt und desorientiert und könne sich an viele Dinge, egal ob kürzer oder weiter zurückliegend, nicht erinnern. Er selbst klagt über Kältegefühl und Abgeschlagenheit. Der Blutdruck des Patienten beträgt nur 100/50 mm Hg.

Nach Überweisung zum Neurologen bestätigt dieser die Verdachtsdiagnose einer Wernicke-Enzephalopathie mit Korsakow-Psychose. Diese Erkrankung wird durch einen Mangel an Thiamin, das als Vitamin B1 mit der Nahrung aufgenommen werden muss, hervorgerufen. Thiamin ist als Coenzym für die Aktivität mehrerer zentraler Enzyme des Kohlenhydratstoffwechsels und des Citratzyklus essenziell. Die Störung des Metabolismus von Gehirn und Herz ruft die Symptome hervor.

Alkoholiker im fortgeschrittenen Stadium decken ihren Energiebedarf vor allem über den Alkohol und nehmen nur noch unzureichend und einseitig normale Nahrung auf, was zu Vitaminmangel führt. Durch parenterale Gabe von 100 mg Thiamin pro Tag lassen sich die Seh- und Konzentrationsstörungen innerhalb kurzer Zeit verbessern. Der Patient willigt außerdem in eine Entzugsbehandlung ein.

Zur Orientierung

Wegen der vielfältigen Möglichkeiten, ganz bestimmte Raumstrukturen mit unterschiedlichen Verteilungen von elektrischen Ladungen und hydrophoben bzw. hydrophilen Bereichen einzunehmen, können Proteine zwar ein enormes Spektrum an Funktionen – insbesondere bei der Katalyse biochemischer Reaktionen – erfüllen, in vielen Fällen sind sie aber auf das Zusammenwirken mit relativ kleinen organischen Molekülen oder anorganischen Verbindungen angewiesen. Bei Enzymen übernehmen diese Coenzyme eine unabdingbare Hilfsfunktion bei der Übertragung von Atomgruppen oder Stoffwechselenergie. Durch die Vermittlung von Redoxprozessen erweitern die Coenzyme sogar grundsätzlich das Reaktionsspektrum enzymatischer Proteinfunktionen. Es gibt keine Proteine, die allein mithilfe ihrer Aminosäurebestandteile Redoxreaktionen katalysieren können.

Funktionen der Coenzyme

Allgemeine Eigenschaften

Viele biochemische Prozesse sind thermodynamisch ungünstig, d.h., ihr G, die Änderung der freien Enthalpie, ist positiv. Damit sie dennoch ablaufen können, wird die benötigte Energie aus anderen Reaktionen mit negativem G bezogen. Die gewonnene Energie aus diesen exergonen Reaktionen darf nicht als Wärme frei werden und somit verloren gehen, sondern muss in eine Form überführt werden, die es erlaubt, die Energie bis zum Ablauf der endergonen Reaktion zu speichern und – falls diese Reaktion an einem anderen Ort in der Zelle abläuft – zu transportieren.
Ein anderes wesentliches Charakteristikum von Stoffwechselreaktionen ist die Übertragung von Gruppen von Atomen von einem Substrat auf ein anderes. Auch in diesem Fall müssen die Zwischenprodukte für kurze oder längere Zeit geparkt und oft zwischen den beteiligten Enzymen transportiert werden.
Die Speicher- und Übertragungsfunktionen werden in vielen Fällen von Hilfsmolekülen mit – im Vergleich zu den Enzymen – relativ geringer Molekülmasse übernommen. Sie werden als Coenzyme bezeichnet. Da sie selbst keine katalytische Funktion haben, werden sie manchmal auch Cosubstrate genannt.
Endergone Reaktionen sind typischerweise bei aufbauenden (anabolen) Stoffwechselwegen zu finden, exergone bei abbauenden (katabolen) Vorgängen. Auch die Atomgruppen für den Aufbau neuer Moleküle stammen aus dem Abbau anderer Moleküle. Sowohl als Energiespeicher als auch als Gruppenüberträger verbinden Coenzyme anabole und katabole Stoffwechselprozesse miteinander.
Coenzyme nehmen an der biochemischen Reaktion teil und werden dabei chemisch verändert. Sie werden aber entweder direkt im Verlauf derselben Reaktion oder indirekt in einer nachgeschalteten Enzymreaktion wieder regeneriert.
Die Speicherung und der Transport von Stoffwechselenergie durch Coenzyme erfolgen in vielen Fällen mithilfe des elektrochemischen Potenzials von Elektronen. Dabei werden Coenzyme zunächst reduziert (Aufnahme von Elektronen). Im zweiten Schritt erfolgt dann die Abgabe der Elektronen (Oxidation). Man spricht deshalb auch von Reduktionsäquivalenten und stellt solche Coenzyme als Redoxcoenzmye den gruppenübertragenden Coenzymen gegenüber. Die Normalpotenziale E0 von Coenzymen können sich je nach der Umgebung (Aminosäurereste) in verschiedenen Enzymen erheblich unterscheiden.
In anderen Fällen erfolgt die Konservierung der Reaktionsenergie in Form von sog. energiereichen Bindungen, die in Formeln mit dem Zeichen ~ dargestellt werden. Oft sind diese mit Phosphatgruppen oder einem Schwefelatom assoziiert.

Einteilung der Coenzyme

Prosthetische Gruppen
Viele Coenzyme sind als niedermolekulare chemische Gruppen integraler Bestandteil eines Proteins. Dabei wird der Proteinanteil als Apoprotein oder – im Fall eines Enzyms – als Apoenzym bezeichnet. Als prosthetische Gruppen solcher modifizierten Proteine bezeichnet man die nicht aus Aminosäuren bestehenden, kovalent oder über schwache Wechselwirkungen fest gebundenen Komponenten, die essenziell für die betreffende Proteinfunktion sind. Prosthetische Gruppen können Metallkationen, kleine und größere organische Moleküle sein. Apoenzym und prosthetische Gruppe bilden zusammen das Holoenzym.
Lösliche Coenzyme
Als lösliche Coenzyme oder Cosubstrate werden niedermolekulare Verbindungen bezeichnet, die reversibel an Enzyme binden, im Gegensatz zu prosthetischen Gruppen in Lösung oder in der Lipidphase von Membranen beweglich sind und nacheinander auch mit verschiedenen Proteinen, meist Enzymen, reagieren können. Dabei werden die Coenzyme wie Substrate gebunden, selbst verändert und übertragen dann Elektronen oder ganze funktionelle Gruppen.
Die meisten Austauschreaktionen aktivierter Gruppen und Redoxreaktionen des Stoffwechsels erfolgen mithilfe von Coenzymen, die mit verschiedenen Proteinen oder Enzymen reagieren. Dies ermöglicht eine modulare Organisation des Intermediärstoffwechsels unter Verwendung einer begrenzten Anzahl von Energieträgern und biochemischen Werkzeugen. Manche Coenzyme nehmen auch an unterschiedlichen chemischen Reaktionen teil: Pyridoxalphosphat ist z.B. sowohl Coenzym eines glykogenabbauenden Enzyms als auch von Enzymen des Aminosäurestoffwechsels. Andere Proteine tragen mehrere prosthetische Gruppen oder treten mit verschiedenen Coenzymen in Wechselwirkung.
Vitamine
Viele Coenzyme sind relativ kompliziert aufgebaute organische Verbindungen. Da sie nur in geringen Mengen benötigt und im Regelfall in ausreichendem Maße mit der Nahrung aufgenommen werden, hat der Mensch im Laufe seiner Evolutionsgeschichte die Fähigkeit verloren, bestimmte Coenzyme oder deren Vorstufen selbst zu synthetisieren. Sie stellen somit als Vitamine eine wichtige Gruppe essenzieller Nahrungsbestandteile dar. Diese Aspekte werden deshalb im Zusammenhang mit der Ernährung in Kap. 28.3.1 besprochen.
Cofaktoren
Einige Coenzyme enthalten außer dem organischen noch einen anorganischen Molekülanteil. Meist sind dies Metallionen. Auch viele Proteine enthalten anorganische Ionen, die entweder für die Enzymreaktion oder für die räumliche Struktur des Proteins wichtig sind.
Für Coenzyme und Metallionen als wichtige funktionelle Bestandteile von Proteinen bzw. Enzymen ist der Oberbegriff Cofaktoren gebräuchlich.

MERKE

Coenzyme sind organische Moleküle, die an der Konservierung und dem Transport von Stoffwechselenergie sowie der Übertragung von Atomgruppen beteiligt sind. Sie koppeln exergone an endergone Reaktionen und katabole an anabole Stoffwechselprozesse. Coenzyme nehmen an den katalytischen Reaktionen der zugehörigen Enzyme teil. Sie sind als prosthetische Gruppen permanent mit dem Apoprotein verbunden oder als lösliche Coenzyme in der Zelle beweglich. Viele Coenzyme oder deren Vorstufen sind als Vitamine essenzielle Nahrungsbestandteile.

Redoxcoenzyme

Nicotinamiddinucleotide, NAD+/NADP+

Struktur und chemische Eigenschaften
Das Coenzym Nicotinamidadenindinucleotid NAD+ (Abb. 4.1a) und der davon abgeleitete Phosphatester NADP+ sind an vielen stereospezifischen Hydrierungen und Dehydrierungen sowie Redoxreaktionen des Stoffwechsels beteiligt. Beide Coenzyme sind gut wasserlöslich und damit für die Kopplung verschiedener Redoxreaktionen bestens geeignet. Sie katalysieren Zwei-Elektronen-Redoxreaktionen.
Das Molekül setzt sich formal aus zwei Nucleotiden (daher der Name ‑dinucleotid) zusammen, und zwar aus Adenosinmonophosphat und einem zweiten Nucleotid, bei dem Nicotinsäureamid den Platz der Base einnimmt. In NAD+ sind die beiden Nucleotidreste durch eine 5,5-Diphospho-,-diester-Brücke verbunden und nicht wie in anderen Nucleotiden durch eine 3,5-Phosphodiester-Bindung. Bei NADP+ ist die 2-Position des Adenosinanteils phosphoryliert.
Der Nicotinamidring nimmt bei der Reduktion zwei Elektronen (zusätzliches Elektronenpaar am N-Atom des Ringsystems) und ein Proton auf. Formal wird ein Hydridion in Form eines Protons und zweier Elektronen auf den Nicotinamidrest der Coenzyme übertragen. Ein weiteres Proton wird aus dem Substrat freigesetzt (Abb. 4.1). Die korrekte Schreibweise für die reduzierten Coenzyme ist daher NADH/H+ und NADPH/H+.
Die Nicotinamidadenindinucleotide sind hitzestabil, aber licht- und alkaliempfindlich, in reduzierter Form werden sie durch Luftsauerstoff leicht oxidiert.
Funktion
NAD+ liegt in vivo vorwiegend in der oxidierten Form vor, wird in katabolen Reaktionen wie der Glykolyse reduziert und überträgt seine Reduktionsäquivalente auf die Atmungskette. NADPH findet sich v.a. in der reduzierten Form und ist überwiegend an anabolen Reaktionen, z.B. der Fettsäuresynthese, beteiligt. Die beiden Cofaktorsysteme sind in der Zelle an verschiedenen Orten lokalisiert. Die meisten Enzyme sind hochspezifisch für das jeweilige Coenzym. Die Phosphatgruppe – einziges molekulares Unterscheidungsmerkmal der beiden Coenzyme – reicht für die Erkennung aus. In der NAD(P)+-Transhydrogenase-Reaktion können Reduktionsäquivalente auch zwischen dem NAD+- und dem NADP+-System übertragen werden.
Eine weitere Bedeutung von NAD+ liegt in der posttranslationalen ADP-Ribosylierung von Proteinen durch bakterielle Toxine (Choleratoxin, Pertussistoxin, Diphtherietoxin). Durch Übertragung von Adenosyl-5-diphosphat-D-ribosylresten (ADP-Ribosylreste) kommt es zu bedeutenden Funktionsänderungen der so modifizierten Proteine (z.B. G-Proteine, Elongationsfaktor EF2 der Translationsmaschinerie).
Nicotinsäure und Nicotinsäureamid (gemeinsam auch als Niacin bezeichnet) müssen zum überwiegenden Teil als Vitamin B3 (Kap. 28.3.1) mit der Nahrung aufgenommen werden, um die Biosynthese von NAD+ und NADP+ zu gewährleisten.

Blick ins Labor

Die reduzierte und die oxidierte Form der Nicotinamidadenindinucleotid-Coenzyme haben ein unterschiedliches Absorptionsspektrum. NADH und NADPH absorbieren Licht mit einem Maximum bei 340 nm, während die oxidierten Formen keine Absorption zwischen 300 und 400 nm zeigen (Abb. 4.1b). Dies macht man sich in vielen NAD+- oder NADP+-abhängigen Enzymreaktionen für sensitive und spezifische Enzymaktivitätsbestimmungen sowie Substratmessungen zunutze. Dieser sog. optische Test wurde 1936 von Otto Warburg eingeführt. Auch die reversiblen Redoxreaktionen der Flavoproteine können spektrophotometrisch leicht gemessen werden, da oxidierte Flavinnucleotide farblos, reduzierte jedoch gelb sind. Auch Enzyme, die NAD+ (NADP+) oder Flavinnucleotide nicht als Substrat benutzen, können mithilfe des optischen Tests bestimmt werden, wenn der Umsatz eines dieser Substrate in einer nachgeschalteten Indikatorreaktion als Messgröße verwendet wird. Ein Beispiel dafür ist die Bestimmung von Glucose über die Bildung von Glucose-6-phosphat und dessen Oxidation:

Glucose + ATP Glucose-6-phosphat + ADP

Glucose-6-phosphat + NADP+ 6-Phosphogluconolacton

+ NADPH+H+

Die entstehende spektroskopisch messbare NADPH-Menge entspricht der Glucosemenge.

Flavinnucleotide, FMN und FAD

Struktur und chemische Eigenschaften
Die redoxaktive Gruppe der Coenzyme Flavinadenindinucleotid (FAD; Abb. 4.2) und Flavinmononucleotid (FMN; wie FAD, aber ohne die Adeninnucleotidgruppe, Abb. 6.9) ist das Riboflavin. Beide Flavincoenzyme sind meist als prosthetische Gruppen fest an Enzyme gebunden. Sie können zwei Elektronen und zwei Protonen übernehmen. Für die reduzierte Form der Coenzyme ist allgemein die Schreibweise FADH2 und FMNH2 üblich. Die Bezeichnung von FMN als Nucleotid ist eigentlich nicht korrekt, da es keinen Zucker, sondern den Zuckeralkohol Ribitol enthält. Zu den ca. 100 Flavoproteinen (wegen der gelben Farbe des Coenzyms so genannt) zählen Dehydrogenasen, Oxidasen und Reduktasen.
Riboflavin (der an Ribitol gebundene Isoalloxazinring) ist das Vitamin B2 (Kap. 28.3.1) und biosynthetische Vorstufe der Flavinnucleotide.
Funktion
Flavinnucleotide nehmen bei vollständiger Reduktion zwei Elektronen und zwei Protonen auf. Durch Bildung eines Semichinonradikals katalysieren sie jedoch im Gegensatz zu NAD(P)+ auch Ein-Elektronen-Transferreaktionen und wirken so als Redoxkoppler mit anderen zellulären Redoxsystemen. Dazu zählen die Bildung und Spaltung von Disulfidgruppen, z.B. durch Dihydrolipoyl-Dehydrogenase und Thioredoxin-Reduktase, oder Übertragungen von Reduktionsäquivalenten auf Substrate und Komponenten der Atmungskette.
Einige Flavoproteine reagieren in der reduzierten Form mit molekularem Sauerstoff durch Übertragung von zwei oder vier Elektronen, z.B. bei der oxidativen Desaminierung durch die Monoaminoxidase oder der Oxidation von Aldehyden durch die Glucose-Oxidase. Bei dieser Zwei-Elektronen-Übertragung wird Wasserstoffperoxid gebildet. Bei der Kynurenin-3-Monooxygenase-Reaktion werden vier Elektronen übertragen, und FAD wird durch NADPH wieder reduziert.
Flavoproteine spielen auch eine wichtige Rolle bei der Entgiftung von Xenobiotika. FAD ist Cofaktor der Glutathion-Reduktase und Thioredoxin-Reduktase, die zentrale Komponenten des zellulären antioxidativen Abwehrsystems sind und Reduktionsäquivalente für die Ribonucleotid-Reduktase liefern, die den ersten Schritt der DNA-Synthese katalysiert. FAD ist auch Cofaktor für die NO-Synthase.

Chinone: Ubichinon, Coenzym K und Tocopherol

Chinone mit einer Seitenkette variabler Länge (n 4–10) aus mehreren Isopreneinheiten kommen in fast allen Spezies außer grampositiven und Cyanobakterien vor. Sie sind als hydrophobe Moleküle in der Lipidschicht frei beweglich. Analog zu den Flavinen werden zwei Elektronen und zwei Protonen übertragen, wobei als Zwischenprodukt ein Semichinon auftritt.
Ubichinon
Die Bezeichnung der Chinone richtet sich nach der Anzahl der in ihren Seitenketten verknüpften Isopreneinheiten oder der Anzahl der darin enthaltenen Kohlenstoffatome. Das wegen seines ubiquitären Vorkommens auch als Ubichinon bezeichnete Coenzym Q (mit zehn Isopreneinheiten; Abb. 6.12) ist wichtiger Bestandteil der Atmungskette und wird in Kap. 6.3.5 ausführlich besprochen. Eine weitere mögliche Funktion als antioxidatives Redoxsystem von zellulären Membranen ist noch umstritten.
Ubichinon wird aus Tyrosin durch eine Kondensationsreaktion mit Polyprenylpyrophosphatresten synthetisiert. Die Isopreneinheiten werden aus Mevalonat gebildet, das über HMG-CoA (-Hydroxy--methylglutaryl-CoA) aus Acetyl-CoA synthetisiert wird (Kap. 8.3). Die Methylgruppen werden durch S-Adenosylmethionin eingeführt.
Coenzym K (Abb. 4.3)
Das wegen seiner vier Isoprenreste (Phytylrest) auch als Phyllochinon bezeichnete Vitamin K1 sowie das sechs Isoprenreste tragende Vitamin K2 (Kap. 28.3.1) sind Coenzyme bei der Glutamyl-Carboxylase-Reaktion, einer oxidativen -Carboxylierung von Glutaminsäureresten in Proteinen, z.B. von einigen Blutgerinnungsfaktoren, von Wachstumsfaktoren und Proteinen des Knochenstoffwechsels (Tab. 4.1). Diese bereits während der Biosynthese der Proteine ablaufende Modifikation ist für deren Funktion unentbehrlich.
Zunächst wird das Coenzym durch die NADPH-abhängige Chinon-Reduktase zum Hydrochinon reduziert. Dieses reagiert mit Sauerstoff zum Coenzym-K-Epoxid. Dieses stark basische Molekül kann vom -Kohlenstoffatom eines Glutamylrests ein Proton abziehen. Dort kann dann CO2 als Carboxylgruppe angelagert werden. Das Coenzym-K-Epoxid wird durch eine Epoxid-Reduktase wieder in das Coenzym umgewandelt.

Klinik

Hemmstoffe der Epoxid-Reduktase und der Chinon-Reduktase (z.B. Cumarinderivate wie Marcumar und Falithrom) wirken als Coenzym-K-Antagonisten. Da die Modifikation der Coenzym-K-abhängigen Gerinnungsfaktoren unterbleibt, verlangsamt sich die Blutgerinnung. Dies wird zur Thromboseprophylaxe therapeutisch genutzt. Nach Absetzen des Medikaments dauert es 10–14 Tage, bis die für eine normale Gerinnung nötigen Gerinnungsfaktoren synthetisiert werden. Durch hochdosierte Gabe von Vitamin K kann diese Zeit auf 6–10 h verkürzt werden, im Notfall können die fehlenden Gerinnungsfaktoren durch Gabe eines Gerinnungsfaktorkonzentrats auch kurzfristig ersetzt werden. Patienten, die Coenzym-K-Antagonisten einnehmen, sollten für Notsituationen einen Pass mitführen, in dem der aktuelle Quick-Wert verzeichnet ist, der die Blutgerinnungszeit in einem standardisierten Test angibt.

Tocopherole (Vitamin E)
Diese Moleküle (Kap. 28.3.1) haben einen ähnlichen Aufbau wie Ubichinon und Phyllochinon und wirken ebenfalls als Redoxsysteme. Sie sind allerdings nicht als Coenzyme aktiv, sondern wirken als Antioxidanzien, die Membranlipide vor der Oxidation schützen.

Liponsäure, Glutathion

Liponsäure
Die Liponsäure (Thioctsäure, 6,8-Dithiooctansäure) ist als prosthetische Gruppe über eine Amidbindung (Liponamid) kovalent mit einem Lysinrest des Enzyms verknüpft. Eine intramolekulare Disulfidbrücke ist das Redoxzentrum für die Übertragung von zwei Elektronen und zwei Protonen (Abb. 4.4). Liponsäure ist Cofaktor bei der oxidativen Decarboxylierung von -Ketosäuren. Diese erfolgt in großen Dehydrogenase-Multienzym-Komplexen (Tab. 4.2). Die Liponsäure wird während der Reaktion reduziert. Die Regeneration zur oxidierten Liponsäure erfolgt durch ein Flavoprotein des Multienzymkomplexes.
Glutathion
Struktur
Glutathion (GSH) ist ein Peptid mit der Aminosäuresequenz Glutamat-Cystein-Glycin (Abb. 4.5). Eine Besonderheit ist dabei, dass der Glutamylrest über die Carboxylgruppe seiner Seitenkette mit dem Rest des Moleküls verknüpft ist (-Glutamyl-Bindung). GSH kommt in fast allen Zellen in recht hohen Konzentrationen (ca. 5 mmol L–1) vor und steht im Gleichgewicht mit seiner oxidierten Form Glutathiondisulfid (GSSG). GSSG entsteht u.a. durch freie Radikale, oxidativen Stress und Alterungsprozesse und muss daher ständig aktiv ausgeschieden bzw. durch die Glutathion-Reduktase unter NADPH-Verbrauch wieder zu GSH reduziert werden. Entsprechend seiner Bedeutung werden Biosynthese und Abbau von GSH durch einen spezialisierten und komplexen Stoffwechselzyklus, den -Glutaminsäure-Zyklus, gewährleistet.
Funktion
Als Mediator von Oxidationsvorgängen hat GSH eine Fülle von biologischen Funktionen bei Entgiftungsreaktionen, der Strukturbildung von Proteinen und der Reparatur von DNA-Schäden sowie generell bei der Aufrechterhaltung eines definierten Redoxpotenzials in der Zelle. Entscheidend ist dabei seine Reaktionsfähigkeit mit H2O2 bzw. mit organischen Peroxiden, wobei es selbst zu GSSG oxidiert wird. Eine weitere wichtige Funktion ist die Umwandlung von Methämoglobin, das keinen Sauerstoff bindet, in funktionelles Hämoglobin.
Glutathion ist auch am Aminosäuretransport beteiligt. In proximalen Nierenzellen werden Aminosäuren von dem membranständigen Enzym -Glutamyl-Transpeptidase durch die Plasmamembran befördert und an der extrazellulären Seite mit der -Glutamyl-Gruppe von Glutathion zu -Glutamyl-Aminosäuren verknüpft. Diese Transportform gelangt zu anderen Organen, in denen die Aminosäure freigesetzt und Glutamat unter ATP-Verbrauch regeneriert wird.
Antioxidanzien und oxidativer Stress
Die Aufrechterhaltung eines definierten Redoxzustands ist von grundlegender Bedeutung für die Funktion der Zelle. Insbesondere die hochreaktiven Sauerstoffradikale, die bei verschiedenen Stoffwechselprozessen entstehen können, führen zu oxidativem Stress und müssen schnell unschädlich gemacht werden, da sie mit Proteinen, Lipiden, Kohlenhydraten und Nucleinsäuren reagieren. Diese werden so verändert, dass sie ihre Aufgaben nicht mehr erfüllen können. Antioxidanzien können Radikale durch Reduktion unschädlich machen. Auch einige Coenzyme wirken als Antioxidanzien. So ist freie Liponsäure ein effektives Antioxidans (Elektronenfänger). Sie aktiviert bzw. inhibiert verschiedene Enzyme, bricht radikalische Kettenreaktionen ab und ist ein wichtiger Regulator des Intermediärstoffwechsels.

Ascorbinsäure

Die wasserlösliche Ascorbinsäure, in ionischer Form als Ascorbat bezeichnet, ist ein effektives Redoxsystem (Abb. 4.6). Ascorbat zirkuliert im Plasma in reduzierter Form. Durch Oxidation zu Dehydroascorbat wirkt es als Reduktionsmittel oder Antioxidans. Es ist Cofaktor bei verschiedenen Hydroxylierungen (Prolyl- und Lysyl-Hydroxylase). Metallkationen, die als prosthetische Gruppe oder Cofaktoren im aktiven Zentrum einer Reihe von Proteinen lokalisiert sind, werden durch Ascorbat im reduzierten Zustand gehalten, der für deren Funktion essenziell ist. Es ist allerdings kein Coenzym im eigentlichen Sinne, da es nicht direkt an katalytischen Reaktionen beteiligt ist. Der Mensch hat wie alle Primaten und einige andere Tiere die Fähigkeit zur Synthese von Ascorbinsäure verloren, sie wird mit der Nahrung als Vitamin C (Kap. 28.3.1) aufgenommen.
Vitamin C wirkt als Radikalfänger (Radikale sind Atome oder Moleküle mit ungepaarten, sehr reaktionsfähigen Elektronen) und schützt zusammen mit Vitamin E und anderen Antioxidanzien Gewebe vor oxidativen Schäden. Ascorbat inaktiviert v.a. reaktive Sauerstoffspezies (Sauerstoffradikale und Sauerstoffverbindungen, die leicht Radikale bilden können). Da Ascorbat auch durch Ein-Elektronen-Transfer reagieren kann, kommt es zur Bildung des Ascorbylradikals, das jedoch relativ stabil ist und zu Ascorbat und Dehydroascorbat disproportioniert. Dadurch bricht die Radikalreaktion ab.
Ascorbat kann sowohl aus der Stufe des Ascorbylradikals durch eine NADH-abhängige Reduktase als auch aus Dehydroascorbat durch NADPH-abhängige Enzyme wie Thioredoxin-Reduktase regeneriert werden. Daneben erfolgt auch eine nichtenzymatische Regeneration von Dehydroascorbat zu Ascorbat über reduziertes Glutathion oder Liponsäure.
Ascorbat bildet in wässriger Lösung mit reduziertem Glutathion ein Redoxpaar, und beide können sich gegenseitig ersetzen. Zusammen mit dem lipophilen, membranintegrierten oder lipoproteinassoziierten Vitamin-E-Redoxsystem bildet Ascorbat einen effektiven antioxidativen Schutz, da es wie Vitamin E ebenfalls Radikalkettenreaktionen unterbricht und beide ein zelluläres Redoxpaar zwischen wasser- und lipidlöslichen Redoxsystemen bilden.

Klinik

Ascorbat hat vielfältige Wirkungen auf den menschlichen Körper, die nur zum Teil geklärt sind. Es fördert die Absorption von Nicht-Häm-Eisen aus der Nahrung und verhindert so Eisenmangelanämien. Darüber hinaus ist Ascorbat auch an der Carnitinbiosynthese aus Lysin und Methionin, an der Synthese von Catecholaminen und Gallensäuren aus Cholesterin sowie an der posttranslationalen Modifikation von Proteinen, z.B. des Kollagens, durch die Prolyl- und Lysyl-Hydroxylase beteiligt. Vitamin-C-Mangel (Skorbut) macht sich deshalb v.a. durch eine gestörte Funktion des Kollagens (brüchige Nägel, Zahnfleischschwund) bemerkbar. Ascorbat ist auch auf noch unklare Weise für die Bildung und Aktivierung von Osteoklasten aus ihren Vorläuferzellen wichtig. Daneben wirkt Ascorbat als Neuromodulator im Gehirn.

Häm und Eisenporphyrinsysteme

Sie sind als prosthetische Gruppen in vielen Cytochromen, Peroxidasen, Monooxygenasen, Katalase und redoxaktiven Proteinen enthalten, die mit Flavoproteinen Elektronentransfer- und Redoxketten bilden. Die Grundstruktur wird vom Porphyringerüst (Tetrapyrrol) gebildet, in dessen Mitte ein Eisenion über koordinative Bindungen zu den vier Stickstoffatomen als Komplexion gebunden ist (Abb. 4.7). Diese Systeme werden in Kap. 6.3 am Beispiel der Cytochrome ausführlich besprochen. Im Gegensatz zum strukturell verwandten Häm von Hämoglobin und Myoglobin wechselt die Oxidationsstufe (Wertigkeit) des zentralen Eisenions bei allen anderen Eisenporphyrinen zwischen Fe2+ und Fe3+.
Das Porphyrinringsystem, dessen Varianten die Redoxeigenschaften mit bestimmen, wird aus Succinyl-CoA über -Aminolävulinat aufgebaut (Kap. 9.3). Der Abbau erfolgt über Biliverdin und Bilirubin. Neben der Exkretion von Porphyrinen hat das Bilirubin-Biliverdin-System offensichtlich auch noch eine physiologische Funktion als Antioxidans zum Schutz vor reaktiven Sauerstoffspezies (ROS).

MERKE

Redoxcoenzyme übertragen Reaktionsenergie in Form von Elektronen. NAD+ und NADP+ sind Coenzyme von Dehydrogenasen und transportieren Hydridionen. FMN und FAD sind prosthetische Gruppen, die zwei Elektronen und zwei Protonen aufnehmen und weitergeben. Ubichinon und Coenzym K sind lipidlösliche Chinone, die Reduktionsäquivalente in der Atmungskette übertragen bzw. für die -Carboxylierung von Proteinen zur Verfügung stellen. Liponsäure ist Cofaktor bei der oxidativen Decarboxylierung von -Ketosäuren. Porphyrine sind Redoxcofaktoren in der Atmungskette sowie von Monooxygenasen und Peroxidasen. Neben den direkt an der enzymatischen Reaktion beteiligten Redoxcoenzymen gibt es eine Reihe von redoxaktiven Substanzen (Antioxidanzien), z.B. Ascorbinsäure, die das Redoxpotenzial der Zelle und den Redoxzustand von Proteinen und Lipiden aufrechterhalten.

Gruppenübertragende Coenzyme

Übertragung energiereicher Phosphatgruppen

Nucleotidcoenzyme
Nucleotide bestehen aus einer stickstoffhaltigen Base und einem Ribosylrest, der eine oder mehrere Phosphatgruppen trägt. Außer ihrer zentralen Rolle als Baustein der Nucleinsäuren haben Nucleotide noch viele weitere Funktionen, auch als Coenzyme. Dabei wirken sie als Überträger von Stoffwechselenergie oder durch ihre Gruppenübertragungsfunktion.
Energieübertragung
Die Hydrolyse von Adenosintriphosphat (ATP; Abb. 4.8) zu Adenosindiphosphat (ADP) und anorganischem Phosphat (Pi) oder zu Adenosinmonophosphat (AMP) und Pyrophosphat (PPi) setzt eine hohe freie Enthalpie G0 von –30,5 bzw. –45,6 kJ mol–1 frei. Abhängig von den molaren Konzentrationen der Adenosinphosphate sowie den Mg2+- und Mn2+-Konzentrationen kann G in Zellen sogar noch höher sein (im Allgemeinen –50 kJ mol–1). Diese freie Enthalpie wird im Sinne einer energetischen Kopplung zur Katalyse energieaufwändiger Reaktionen verwendet (z.B. Biosynthese energiereicher Verbindungen oder Muskelarbeit).
Entsteht bei einer energetisch gekoppelten ATP-Hydrolyse AMP, so wird PPi durch das allgegenwärtige Enzym Pyrophosphatase in zwei Moleküle Pi gespalten. Auch diese Reaktion ist stark exergon G0 –19,2 kJ mol–1). Dadurch werden die mit der ATP-Hydrolyse gekoppelten Reaktionsabläufe in der Zelle praktisch irreversibel.
Auch die anderen energiereichen Nucleosidtriphosphate GTP, UTP und CTP haben diese Eigenschaften.
Gruppenübertragung
Alternativ kann die in der Phosphorsäureanhydridbindung gespeicherte hohe freie Enthalpie auch zur Aktivierung anderer Moleküle genutzt werden. Man spricht deshalb vom hohen Gruppenübertragungspotenzial der Nucleosidtriphosphatcoenzyme.
Der terminale -Phosphatrest von ATP kann (mithilfe von Kinasen) auf andere Moleküle übertragen werden. Diese Reaktion wird als Phosphorylierung bezeichnet. Die Substrate werden dadurch reaktionsfähiger gemacht (aktiviert). So müssen z.B. alle Zuckermoleküle durch Phosphorylierung aktiviert werden, bevor sie verstoffwechselt werden können.
Phosphorylcoenzyme
Neben ATP weisen auch einige andere Verbindungen (Phosphoenolpyruvat; Creatinphosphat; Acetylphosphat; Dolicholphosphat) ein hohes Phosphorylgruppenübertragungspotenzial und eine energiereiche Phosphatgruppe auf (die in biochemischen Formeln als ~P dargestellt wird). Diese hohe Bindungsenergie kommt in Phosphorsäureanhydriden, Enolphosphat- und Phosphoguanidinmolekülen vor. Bei entsprechenden Mengenverhältnissen kann das Gruppenübertragungspotenzial mancher Moleküle höher sein als das von ATP. Deshalb kann z.B. Creatinphosphat seine energiereiche Phosphatgruppe auf ADP übertragen und somit die Funktion eines Energiespeichers im Muskel übernehmen.
Auch die Verknüpfung mit Nucleosiddiphosphat- oder -monophosphatresten liefert reaktionsfähige Vorstufen, z.B. für die biosynthetischen Reaktionen von Zuckern und die Glykogensynthese (ausgehend von UTP) sowie für die Synthese von Lipiden (ATP, CTP).

Übertragung von Sulfatgruppen

Sulfat (SO4)2– wird in seiner aktivierten Form als 3-Phosphoadenosin-5-phosphosulfat (abgekürzt PAPS) übertragen (Abb. 4.9).
PAPS entsteht aus anorganischem Sulfat, das unter Verbrauch von drei energiereichen Verbindungen auf ATP übertragen wird. Zunächst wird durch die Sulfat-Adenyl-Transferase, die auch als ATP-Sulfurylase bezeichnet wird, das Adenosyl-5-phosphosulfat gebildet.
ATP + (SO4)2– AMP-(SO4)2– + PPi
Das Pyrophosphat wird durch die Pyrophosphatase in 2 Pi gespalten. Durch Reaktion mit einem weiteren Molekül ATP bildet dann die Adenyl-Sulfat-Kinase das PAPS.
AMP-(SO4)2– + ATP PAPS + ADP
Das Sulfat entstammt vor allem dem Aminosäurestoffwechsel aus dem Abbau der schwefelhaltigen Aminosäuren.
PAPS spielt als Sulfatgruppendonor eine wichtige Rolle bei vielen Entgiftungsreaktionen und Biotransformation in der Leber. Außerdem ist es Cosubstrat bei der Synthese von sulfatierten Mucopolysacchariden und Cerebrosiden. Die dafür verantwortlichen sulfatübertragenden Enzyme heißen Sulfotranferasen.

Coenzym A

Coenzym A (CoA, A für Acylierung; Abb. 4.10) besteht aus einer mit phosphoryliertem ADP verknüpften Pantothensäure (aus der Gruppe der B-Vitamine) sowie Cysteamin, das die für die Reaktion mit dem Substrat notwendige Thiol-(SH-)Gruppe trägt. Hier werden Fettsäuren (allgemein: Acylreste; kurzkettige Reste werden spezifiziert, z.B. Acetyl-, Propionyl-) als Thioester gebunden. Die Hydrolyse der Acyl-CoA-Bindung ist mit G0 –31,4 kJ mol–1 stark exergon, d.h., CoA besitzt ein hohes Acylgruppenübertragungspotenzial.
Die energiereiche Bindung in Acetyl-CoA oder Acyl-CoA wird für verschiedene Synthesereaktionen im Stoffwechsel eingesetzt: Knüpfung von C–C-Bindungen, Veresterung, Amidierung und Anhydridbildung. CoA ist an der Fettsäureoxidation, dem Acetatstoffwechsel, der Cholesterin- und Steroidbiosynthese sowie der Acetylierung von Pharmaka und Xenobiotika beteiligt.
Die zellulären CoA-Spiegel werden wegen der zentralen Rolle dieses Coenzyms sehr effizient reguliert. Das Schrittmacherenzym der CoA-Synthese ist die Pantothenat-Kinase. Sie wird durch CoA, Acyl-CoA und Insulin gehemmt und durch Glucagon stimuliert.
Pantothenat
Im Acyl-Carrier-Protein (ACP) des Fettsäure-Synthase-Komplexes ist 4-Phosphopantothein, das CoA sehr ähnelt, für die Bindung von Acyl- bzw. Acetylresten verantwortlich. Pantothenat ist auch Bestandteil der intrazellulären Acyl-CoA-Bindungsproteine (ACBPs). ACBPs binden hochaffin langkettige Acyl-CoA-Ester (LCA). Zusammen mit dem Fettsäurebindungsprotein (FABP) kontrollieren sie die niedrigen, ca. 1–20 nanomolaren intrazellulären LCA-Konzentrationen, indem sie intrazelluläre Speicher für LCA bilden und als intrazelluläre Acyl-CoA-Transporter wirken.

Pyridoxalphosphat

Pyridoxalphosphat ist als prosthetische Gruppe im aktiven Zentrum von Enzymen gebunden. Es geht während der Reaktion mit dem Substrat (vorwiegend freie Aminosäuren) vorübergehend eine kovalente Bindung in Form einer Schiff'schen Base ein und destabilisiert dabei die Bindungen am C2-(C-)Atom der Aminosäuren. Dadurch werden Gruppenübertragungen (Transaminierung, Decarboxylierung, Dehydratisierung) katalysiert. Auf diese Reaktionen wird ausführlich in Kap. 9.1.1 (Abb. 9.1) eingegangen.
Pyridoxalphosphat kann vom Körper nicht synthetisiert werden. Es entsteht aus Pyridoxin und Pyridoxamin, die zusammen als Vitamin B6 (Kap. 28.3.1) bezeichnet werden.

Biotin

Biotin (früher als Coenzym R oder Vitamin H bezeichnet; Abb. 4.11; Kap. 28.3.1) ist der Cofaktor für vier biotinabhängige Carboxylasen: Propionyl-CoA-Carboxylase, 3-Methylcrotonyl-CoA-Carboxylase, Pyruvat-Carboxylase und Acetyl-CoA-Carboxylase, die eine Schlüsselrolle im Protein-, Lipid- und Kohlenhydratstoffwechsel des Menschen spielen. Die Carboxylgruppe seiner Seitenkette bildet eine Amidbindung mit der -Aminogruppe eines Lysinrests des Enzyms. Biotin ist hitzestabil, wird aber durch starke Säuren und Laugen sowie durch UV-Licht zerstört.
Biotin überträgt Carboxylgruppen (CO2-Gruppen). An den Carboxylübertragungen sind mehrere chemische Enzymfunktionen beteiligt, die sowohl in einem multifunktionellen Enzym als auch in einem Multienzymkomplex durch einzelne Proteine katalysiert werden können: Die Biotin-Carboxylase-Funktion belädt Biotin ATP- und Mg2+-abhängig mit HCO3 zu N-Carboxybiotin. Die Transcarboxylase-Funktion überträgt den CO2-Rest auf das Substrat. Das Biotinträgerprotein stellt einen Biotinanker dar.

Blick ins Labor

Die nahezu irreversible und damit extrem stabile Bindung von Avidin an vier Biotinmoleküle (Dissoziationskonstante K 10–15 mol L–1) wird in der Diagnostik zur Verstärkung von hochsensitiven Nachweisreaktionen eingesetzt. Dabei werden biotinylierte Derivate von Biomolekülen (z.B. Enzyme, Antikörper, Nucleotide, Farbstoffe) verwendet. Das Avidin, ein Glykoprotein, das aus Hühnereiweiß gewonnen wird, ist wiederum mit einem Detektionssystem (Enzymfarbreaktion, Fluoreszenzfarbstoff) verbunden. Da das Biomolekül mit sehr vielen Biotinmolekülen gekoppelt werden kann, lassen sich auch geringe Mengen zuverlässig nachweisen.

Thiaminpyrophosphat

Thiaminpyrophosphat (Thiamindiphosphat) kann Ketone und Aldehyde in Form von Hydroxyalkylgruppen aktivieren und ist so an der Übertragung dieser Gruppen beteiligt (Abb. 4.12). Als Akzeptor für die aktivierten Aldehydeinheiten dient wieder eine Carbonylverbindung. Thiaminpyrophosphat ist die prosthetische Gruppe der Pyruvat-Dehydrogenase und der Transketolase im Kohlenhydratstoffwechsel. Ebenso benötigen die -Ketoglutarat-Dehydrogenase des Citratzyklus und die -Ketosäure-Dehydrogenase für verzweigte Aminosäuren Thiaminpyrophosphat (und Liponsäure) als Cofaktor.
Thiaminpyrophosphat entsteht vorwiegend in der Leber durch Phosphorylierung von Thiamin, dem Vitamin B1 (Kap. 28.3.1).

Folsäure und Pteridine

Pteridinringe, an die p-Aminobenzoesäure und L-Glutamat gebunden sind, ergeben die Stoffklasse der Folate. Pteridinringe kommen auch im Biopterin und im Molybdän-Wolfram-Cofaktor (Molybdopterin) vor. Folat wird von Pflanzen und Bakterien synthetisiert und ist als Vitamin essenzieller Bestandteil der Ernährung.
Tetrahydrofolat
Die Folate übertragen Kohlenstoffatome in verschiedenen Oxidationsstufen, und zwar in Form von Formyl-, Methylen- oder Methylgruppen (Abb. 4.13a, b). Sie erhalten ihre C1-Gruppe für die Übertragungsreaktionen beim Menschen v.a. aus dem C3-Kohlenstoff der Aminosäure Serin, die dabei in Glycin umgewandelt wird. Überschüssiges Glycin wiederum wird beim Menschen in Mitochondrien zu N5,N10-Methylentetrahydrofolat (CH2-Tetrahydrofolat) umgewandelt. Das CH2-Tetrahydrofolat wird für reduktive Methylierungen und Hydroxymethylierungen bei der Nucleotidsynthese sowie für die Synthese von Methionin benötigt.
CH2-Tetrahydrofolat ist Bestandteil des Methylierungszyklus (Abb. 4.13c), in den es als C1-Gruppen-Überträger eingespeist werden muss. Dieser Zyklus sorgt für eine ausreichende Versorgung des Organismus mit S-Adenosylmethionin, das als aktiviertes Methionin der essenzielle Methylgruppendonor vieler Methyltransferasen ist. Methylgruppen werden auf DNA, Lipide, Hormone und Proteine übertragen, z.B. auf das basische Myelinprotein, den Hauptbestandteil der Isolierungsschicht der Nerven.

Klinik

Durch die essenzielle Rolle der Folatcofaktoren für die DNA-Synthese zeigen sich Mangelerscheinungen zuerst in sich schnell teilenden Zellen, z.B. in Zellen des hämatopoetischen Systems: Megaloblastäre Anämie, Leukopenie und Thrombozytopenie sind die Folge. Folsäuremangel in der Schwangerschaft ist ein erheblicher Risikofaktor für die Entstehung von Neuralrohrdefekten (Spina bifida), weswegen in manchen Ländern (z.B. den USA) den Nahrungsmitteln Folsäure zugesetzt wird. Ebenso steigen bei Folsäuremangel die Homocysteinspiegel im Plasma.

Bestimmte Pharmaka (Sulfonamide, Antiepileptika) beeinflussen den Folatmetabolismus, und Hemmer der Dihydrofolat-Reduktase, z.B. Methotrexat, werden als Zytostatika in der Krebstherapie eingesetzt.

Tetrahydrobiopterin
Diese Substanz (Abb. 4.14) ist ein weiteres Pterin und wirkt als Cofaktor der Monooxygenasen aromatischer Aminosäuren (z.B. Tyrosin-Hydroxylase), aller NO-Synthasen (NOS) sowie der Glycerylethylether-Monooxygenase beim Abbau des hochwirksamen Etherlipids Thrombozytenaktivierungsfaktor (PAF von Platelet activating factor). Es ist auch an der Biosynthese von Serotonin und Catecholaminen beteiligt. Als Coenzym stellt es Elektronen zur Verfügung und muss dann in einer NADH-abhängigen Reaktion durch die Dihydrobiopterin-Reduktase wieder reduziert werden.
Molybdän-Wolfram-Cofaktor
Molybdopterin ist bei Mensch und Tier für die am Purinabbau beteiligten Xanthin-Oxidasen, die auch FAD enthalten, sowie für die Sulfit-Oxidase und Aldehyd-Oxidasen essenziell. Molybdopterin und Tetrahydrobiopterin gehören funktionell zu den Redoxcoenzymen und werden nur wegen ihrer strukturellen Verwandtschaft zu den Folaten hier besprochen.

Coenzym B12

Das Coenzym mit der kompliziertesten Struktur ist Coenzym B12 (Abb. 4.15). Es ist ein Komplex des dreiwertigen Cobalts, wobei das Zentralatom über die vier Stickstoffatome eines Porphyrinringsystems (Corrinring, ähnlich dem Häm), ein Desoxyadenosinnucleotid und einen Dimethylbenzimidazolnucleotidrest gebunden ist. Das Coenzym ist ein Derivat von Vitamin B12 (Cobalamin, Kap. 28.3.1).
Beim Menschen sind bisher nur zwei Coenzym-B12-abhängige Enzymreaktionen bekannt: Die Methionin-Synthase benutzt Methylcobalamin und N5-Methyltetrahydrofolat als Coenzyme und Homocystein als Substrat für die Methioninsynthese, an der zwei Träger aktivierter Methylgruppen beteiligt sind. Abb. 4.13c zeigt die Methioninsynthese aus Homocystein mit N5-Methyltetrahydrofolat als Methyldonor, das zu Tetrahydrofolat umgewandelt wird. Die prosthetische Gruppe Cobalamin akzeptiert dabei die Methylgruppe von N5-Methyltetrahydrofolat unter Bildung von Methylcobalamin. Anschließend erfolgt der Transfer der Methylgruppe auf Homocystein unter Methioninbildung.
Das zweite menschliche Coenzym-B12-abhängige Enzym, Methylmalonyl-CoA-Mutase, bildet Succinyl-CoA unter homolytischer Spaltung der Cobalt-5-Adenosyl-Bindung und intermediärer Bildung eines Radikals. Die Methylmalonyl-CoA-Mutase benötigt das 5-Desoxy-5-adenosyl-Derivat von Cobalamin als Coenzym.

Dolicholphosphat

Das lange, hydrophobe, in die Lipidmembran integrierte, aus 18–22 C5-Isopren-Einheiten aufgebaute Polyisoprenoid Dolicholphosphat (Abb. 17.13) ist wie die Nucleosidtriphosphate, Creatinphosphat oder Phosphoenolpyruvat eine Verbindung mit hohem Phosphorylgruppenübertragungspotenzial. In der Membran des endoplasmatischen Retikulums fungiert es als Coenzym und Lipidanker für den ersten Oligosaccharidrest, der über eine energiereiche Pyrophosphatbindung angekoppelt wird. Es überträgt diese aktivierten Oligosaccharide bei der Biosynthese von Glykoproteinen auf Asparaginreste (N-Glykosylierung) und ist an der Biosynthese einiger Polysaccharide beteiligt.

MERKE

Nucleosidphosphate dienen der energetischen Kopplung anaboler und kataboler Prozesse und liefern reaktionsfähige Vorstufen für Biosynthesen. Coenzym A überträgt Fettsäurereste auf Substrate. Thiaminpyrophosphat aktiviert Aldehyde und Ketone in Form von Hydroxyalkylgruppen. Pyridoxalphosphat ist das wichtigste Coenzym der Decarboxylierung, Dehydratisierung und Transaminierung von Aminosäuren. Carboxylasen enthalten Biotin als Coenzym. C1-Reste werden von Tetrahydrofolat übertragen. Coenzym B12 wird für je ein Enzym der Methionin- und der Succinyl-CoA-Synthese benötigt. Dolicholphosphat ist Coenzym der Proteinglykosylierung.

Anorganische Cofaktoren

Eine Vielzahl von Proteinen und einige prosthetische Gruppen enthalten anorganische Bestandteile, meist Ionen, die für ihre Funktion unentbehrlich sind. Sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Zu den essenziellen Spurenelementen (benötigte Menge weniger als 100 mg pro Tag) zählen die Metalle Eisen, Zink, Kupfer, Mangan, Chrom, Cobalt, Nickel, Molybdän (Tab. 4.3) sowie Selen, Iod und Fluor. Alle anderen Elemente, die für den Menschen essenziell sind (Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Phosphor, Schwefel und Chlor) werden in Mengen von über 100 mg pro Tag benötigt (Mengenelemente).

Schwermetallionen

Eisen
Es ist Bestandteil von Hämoglobin, Myoglobin sowie einer Reihe von Enzymen (Cytochrome, Katalase, Peroxidasen, Thyreoperoxidase etc.) und Proteinen mit Eisen-Schwefel-Zentren. Durch sein Vorkommen in zwei Oxidationsstufen (Fe2+ und Fe3+) spielt Eisen, komplexiert im Häm, neben seiner Funktion als O2-Träger im Blut und als Bestandteil von redoxaktiven Enzymen auch bei verschiedenen Radikalreaktionen (Fenton-Reaktion) eine wichtige Rolle im Zellstoffwechsel. Ein fein reguliertes System von Eisenbindungs- und Transportproteinen (Transferrin, Ferritin, Ferroportin) sowie eine Feedback-Regulation der Translation dieser Proteine durch spezifische Proteine (IRE-Bindungsproteine, IRPs; Kap. 13.5.3) stellen die Homöostase des Eisenhaushalts sicher. Ein Überschuss führt durch Reaktion mit Sauerstoff zu reaktiven Sauerstoffspezies und Radikalen, und Mangelversorgung beeinträchtigt vitale Stoffwechselfunktionen.
Kupfer
Kupferionen wirken als prosthetische Gruppe in der Cytochrom-Oxidase, anderen Oxidasen, Tyrosin-Hydroxylase, Dopamin- -Hydroxylase sowie Superoxid-Dismutase und sind am Ein-Elektronen-Transfer beteiligt. Im Plasma zirkuliert Kupfer an Coeruloplasmin gebunden.

Klinik

Als genetisch bedingte Kupfertransportstörungen sind die Wilson-Krankheit und das Menkes-Syndrom bekannt. Beim Menkes-Syndrom ist die intestinale Resorption beeinträchtigt, und durch den Kupfermangel kommt es zu neuronalen Degenerationen, Bindegewebsabnormalitäten und einer besonderen Haarform (kinky hair). Bei der Wilson-Krankheit ist die hepatobiliäre und renale Cu-Ausscheidung beeinträchtigt, und es kommt zu einer Leberdegeneration sowie Kupferablagerungen in Gehirn, Nieren und Augen (Kayser-Fleischer-Ringe der Augen).

Zink
Zink stabilisiert als zweiwertiges Kation die Struktur verschiedener Proteindomänen und ist für die Aktivität von über 80 verschiedenen Enzymen, Transkriptionsfaktoren und anderen Proteinen essenziell.
Es ist unentbehrlich für Wachstum, Fortpflanzung und den normalen Intermediärstoffwechsel. Eine Mangelversorgung kommt bei genetisch gestörter intestinaler Resorption (Akrodermatitis enteropathica), bei Alkoholabusus sowie verschiedenen anderen Malabsorptionskonstellationen und Proteinmangelernährung vor. Dies führt zu Wachstumsverzögerungen, Hautveränderungen, Hypogonadismus und einer Reihe weiterer Stoffwechselstörungen. In hohen Konzentrationen induziert Zink die Synthese von Metallothioneinen, Proteine, die toxische Metallkationen binden.
Chrom
Als dreiwertiges Kation wirkt es im Kohlenhydrat- und Lipidstoffwechsel und spielt eine Rolle als Glucosetoleranzfaktor, da es die Insulinwirkung verbessert und die Glucoseaufnahme in Adipozyten erhöht. Der molekulare Mechanismus für diese Effekte ist noch unklar. Ebenso wie Zink ist es in hohen Konzentrationen für den Organismus toxisch.
Mangan
Das zweiwertige Kation spielt wie Magnesium eine Rolle bei der Komplexierung von Nucleotiden, ist aber auch prosthetische Gruppe oder Zentralatom verschiedener Enzyme und Proteine (Pyruvat-Carboxylase, Aminopeptidase, Carboxypeptidase, Superoxid-Dismutase). Mangelerscheinungen sind so gut wie nicht bekannt, da der Bedarf durch die tägliche Nahrung gut gedeckt wird.
Cobalt
Als Zentralion (Co3+) von Vitamin B12 (Cobalamin) ist es an der Methionin- und Pyrimidinbiosynthese beteiligt.
Molybdän
Molybdän ist das Zentralatom des Molybdopterins Molybdän-Wolfram-Cofaktor (Kap. 4.3.7) von eisen- und flavinhaltigen Xanthin-Oxidasen, Sulfit-Oxidase und Aldehyd-Oxidasen.

Selen

Selen ist Bestandteil der Aminosäure Selenocystein, die sich formal durch Ersatz des Schwefelatoms durch Selen von Cystein ableitet. Selenocystein wird bei der Translation in einem komplizierten Mechanismus als 21. proteinogene Aminosäure (Kap. 13.1) eingebaut. Das Genom des Menschen kodiert für insgesamt 25 selenocysteinhaltige Proteine, deren Funktion nur z.T. bekannt ist (Tab. 4.4). Dazu zählen vier Glutathion-Peroxidasen, drei Thioredoxin-Reduktasen und drei Iodthyronin-Deiodasen, die Schilddrüsenhormone aktivieren bzw. inaktivieren. Das Selenocystein befindet sich z.B. bei den Glutathion-Peroxidasen im aktiven Zentrum und ist an der Katalyse beteiligt.

MERKE

Die Spurenelemente Eisen, Zink, Kupfer, Mangan, Chrom, Cobalt und Molybdän sind meist als Kationen in aktiven Zentren von Enzymen oder als Stabilisatoren der Proteinkonformation an vielen Stoffwechselwegen beteiligt. Selenocystein ist als 21. proteinogene Aminosäure Bestandteil des aktiven Zentrums von Enzymen. Mangelerscheinungen, überschüssige Zufuhr und Störungen der biologischen Verwertung führen zu ernsthaften Erkrankungen, die teils genetisch bedingt sind.

ZUSAMMENFASSUNG

Coenzyme

An vielen biochemischen Prozessen sind Coenzyme als niedermolekulare organische Gruppen beteiligt. Sie dienen der Übertragung von Elektronen (Redoxcoenzyme) oder von Atomgruppen. Prostethische Gruppen sind fest mit dem Holoenzym verbundene Coenzyme, lösliche Coenzyme können in der Zelle und zwischen verschiedenen Enzymen transportiert werden. Viele Coenzyme sind Vitamine oder werden aus Vitaminvorstufen synthetisiert. Eine Reihe von Coenzymen sind Nucleotide.

Redoxcoenzyme

Bei vielen Enzymreaktionen sind NADH bei katabolen und NADPH bei anabolen Prozessen als Reduktionsäquivalent die Transportform von Energie zur Kopplung von Reaktionen. FADH2 ist prostethische Gruppe vieler Dehydrogenasen, Oxidasen und Reduktasen und spielt bei der Entgiftung von Xenobiotika und der Aufrechterhaltung des zellulären Redoxgleichgewichts eine Rolle. Tetrahydrobiopterin ist ein Pterin, das wie die vorgenannten Coenzyme zwei Elektronen und zwei Protonen überträgt. Ubichinon ist in Lipidschichten frei beweglich und ermöglicht den Übergang von Ein- auf Zwei-Elektronen-Prozesse.
Coenzym K ist für die -Carboxylierung von Proteinen wichtig. Liponsäure ist in Multienzymkomplexen Cofaktor bei der oxidativen Decarboxylierung von -Ketosäuren. Glutathion ist ein Tripeptid, das über die SH-Gruppe des Cysteinrests unter Oxidation mit einem zweiten Molekül eine Cystinbrücke bildet und dabei Elektronen bindet. Es ist an der Aufrechterhaltung des Redoxzustands der Zelle, Entgiftungsreaktionen oder der Reparatur von DNA-Schäden beteiligt. Ascorbinsäure ist ein Antioxidans, das primär das Redoxgleichgewicht der Zelle reguliert. Häm und die Cytochrome sind Eisenporphyrine, wobei die Cytochrome unter Ladungswechsel des zentralen Eisenions an Elektronenübertragungsprozessen teilnehmen.

Gruppenübertragende Coenzyme

Die Nucleosidtriphosphate ATP, GTP, UTP und CTP übertragen energiereiche Phosphatbindungen und dienen der Aktivierung von Metaboliten und der Kopplung von Reaktionen. Ebenfalls hohes Gruppenübertragungspotenzial haben die Phosphorylcoenzyme, z.B. Creatinphosphat. Coenzym A überträgt Acylgruppen, die über eine energiereiche Thioesterbindung an die prostethische Gruppe gebunden sind. Pyridoxalphosphat ist Überträger von Aminogruppen im Aminosäurestoffwechsel. Biotin ist bei vier Carboxylasen des Menschen enzymgebundener Cofaktor der Übertragung einer CO2-Gruppe. Ketone und Aldehyde werden mithilfe von Thiaminpyrophosphat übertragen. Tetrahydrofolat überträgt Kohlenstoffatome in verschiedenen Oxidationsstufen als Formyl-, Methylen- oder Methylgruppe. Das Coenzym B12 enthält in seinem zentralen Prophyrinring ein Cobaltion, es ist für die Methylgruppenübertragung durch Methionin-Synthetase und Methylmalonyl-CoA-Mutase wichtig. Dolicholphosphat aktiviert und überträgt Oligosaccharide bei der Glykosylierung von Proteinen im endoplasmatischen Retikulum.

Anorganische Cofaktoren

Sie werden mit der Nahrung, z.T. als Spurenelemente, aufgenommen. Einige Metallionen wie Kupfer, Mangan oder Zink sind prostethische Gruppen verschiedener Proteine. Eisen kommt außer in Häm und Cytochrom zusammen mit Schwefel im Reaktionszentrum von Oxidasen und Peroxidasen vor. Molybdän und Wolfram sind Cofaktoren einiger Oxidasen. Selen ist in der Aminosäure Selenocystein enthalten, die im aktiven Zentrum von Enzymen an der Katalyse beteiligt ist.
007 IMPP-Fragen

Fragen

  • 1.

    Wie können energiereiche Bindungen übertragen werden? Denken Sie dabei an:

    • hohes Gruppenübertragungspotenzial

    • Aktivierung.

  • 2.

    Welche Coenzyme können Elektronen übertragen?

  • 3.

    In welcher Form sind anorganische Ionen an Enzymreaktionen beteiligt? Geben Sie Beispiele.

  • 4.

    eschreiben Sie die Funktion von Selen.

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