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Mecanismos de bioquímica · Enzymes and cofactors

Cofactores y coenzimas

Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.

¿Atascado con cofactores y coenzimas? Escanea el problema.

Toma una foto de la reacción de tu tarea o de tu libro y dibuja su mecanismo con cada flecha revisada. 1 escaneo gratis ya, sin registrarte; 1 más con una cuenta gratuita.

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Lo que aprenderás

  • Draw hydride transfer between C4 of NADH or NAD⁺ and a substrate, including the active-site acid or base that moves the proton.
  • Explain how a flavin accepts a hydride at N5 and why it can hand electrons on one at a time.
  • Use the pyridoxal phosphate Schiff base as an electron sink to draw transimination, transamination and decarboxylation.
  • Draw thiamine ylide formation and α-keto acid decarboxylation through the enamine (Breslow) intermediate.
  • Follow acyl and carboxyl groups as they move through lipoamide, coenzyme A thioesters and carboxybiotin.

Lección gratis

El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.

Leer la lección gratis (7 partes)

Los cofactores son grupos funcionales prestados

Las cadenas laterales de los aminoácidos pueden actuar como ácidos, bases y nucleófilos, pero ninguna de ellas puede transportar un hidruro, estabilizar un carbanión en el carbono α de un aminoácido ni retener un grupo acilo entre dos sitios activos. Las enzimas toman prestadas estas capacidades de los cofactores, la mayoría de los cuales se fabrican a partir de vitaminas: NAD⁺ de la niacina, FAD de la riboflavina, piridoxal fosfato (PLP) de la vitamina B₆, tiamina difosfato (TPP) de la vitamina B₁, coenzima A del pantotenato y biotina, que es en sí misma una vitamina (B₇). Cada cofactor tiene un pequeño núcleo reactivo; el resto de la molécula (ribosa, fosfatos, adenina) es un asa que la enzima agarra. En este tema los núcleos se dibujan solos: NAD⁺ como 1-metilnicotinamida, las flavinas como lumiflavina, el PLP como un aldehído de N-metilpiridinio, la TPP como 3,4-dimetiltiazolio, la coenzima A como N-acetilcisteamina, la lipoamida como un metil-1,2-ditiolano y la biotina como su anillo ureido. Las flechas sobre estos núcleos son exactamente las flechas sobre los cofactores reales.

NAD⁺ y NADH transportan un hidruro en C4

El NAD⁺ es un ion piridinio. Un hidruro (H⁻, dos electrones y un protón) se adiciona a C4, en posición opuesta al nitrógeno del anillo, y da NADH, una 1,4-dihidropiridina; el anillo pierde su aromaticidad y su carga positiva. Lo inverso, la pérdida de hidruro desde C4 del NADH, está impulsada por el par solitario del nitrógeno y restaura el anillo aromático. Las deshidrogenasas combinan este movimiento de hidruro con un movimiento de protón: en la lactato deshidrogenasa un histidinio protona el oxígeno carbonílico del piruvato a medida que llega el hidruro, y en la glutamato deshidrogenasa una lisina libera el par solitario del amino, que luego empuja el hidrógeno α del glutamato hacia el NAD⁺ como hidruro, dando un ion iminio. Cada enzima usa una cara de C4: las lactato, malato y alcohol deshidrogenasas transfieren el hidrógeno pro-R (cara A). El NADH absorbe a 340 nm (ε ≈ 6220 M⁻¹ cm⁻¹) y el NAD⁺ no, por lo que estas reacciones se siguen por la absorbancia a 340 nm. El potencial estándar de NAD⁺/NADH es de alrededor de −0,32 V, lo bastante bajo como para que el NADH reduzca carbonilos y, a través de la cadena de transporte de electrones, al O₂.

Flavinas: entra un hidruro, salen electrones de a uno

El anillo isoaloxazina del FAD y del FMN (dibujado aquí como lumiflavina) acepta un hidruro en N5. Los enlaces π C4a=N5 y C10a=N1 se desplazan de modo que el par adicional termina en N1, dando el anión flavina reducida FADH⁻ (la protonación en N1 da FADH₂). La D-aminoácido oxidasa quita el hidrógeno α de un D-aminoácido como hidruro de esta manera, y la acil-CoA deshidrogenasa quita el protón α con una base glutamato mientras el hidrógeno β va a N5 como hidruro, formando un enlace C=C trans. Las mismas flechas corren en sentido inverso cuando una flavina reducida cede un hidruro desde N5 al NAD⁺, como en la enzima E3 de la piruvato deshidrogenasa. Las flavinas se diferencian del NAD⁺ porque el intermediario de un electrón, la semiquinona, es estable: una flavina reducida puede pasar sus dos electrones de a uno a los centros hierro–azufre, a la ubiquinona o al O₂. Las flavinas suelen estar unidas con firmeza o de forma covalente, y la proteína ajusta su potencial; el FAD/FADH₂ libre está alrededor de −0,22 V.

PLP: la base de Schiff es un sumidero de electrones

En la enzima en reposo el aldehído del PLP está unido a una lisina como una imina protonada (la aldimina interna). Un aminoácido que llega desplaza a la lisina por transiminación, dando la aldimina externa que se muestra. Ahora todo enlace al carbono α es lábil, porque los electrones de un enlace Cα que se rompe fluyen a través de la imina protonada hacia el anillo piridinio, cuyo nitrógeno capta el par: esta especie deslocalizada es el intermediario quinonoide. La enzima elige qué enlace se rompe manteniendo ese enlace perpendicular al plano del anillo y de la imina, donde se solapa con el sistema π. Romper Cα–H y reprotonar en C4′ convierte la aldimina en una cetimina; la hidrólisis libera entonces un α-cetoácido y piridoxamina fosfato (PMP), lo que constituye la transaminación. Romper Cα–CO₂⁻ y reprotonar en Cα da una amina (descarboxilación), por ejemplo GABA a partir de glutamato y dopamina a partir de L-DOPA.

Tiamina: un carbanión que descarboxila α-cetoácidos

El C2 del anillo tiazolio de la TPP está entre un nitrógeno con carga positiva y un azufre. Su protón del C–H se elimina (pKa alrededor de 18 en agua; en la enzima, por el grupo 4′-imino de la aminopirimidina del propio cofactor) para dar un iluro, un carbanión en el plano del anillo. El iluro se adiciona al carbonilo cetónico de un α-cetoácido como el piruvato. El aducto tiene ahora su carboxilato en β respecto al C=N⁺ del tiazolio, así que el CO₂ se va igual que de un β-cetoácido, y los electrones quedan almacenados en la enamina llamada intermediario de Breslow. La piruvato descarboxilasa lo protona y libera acetaldehído; la piruvato deshidrogenasa, en cambio, deja que ataque la lipoamida, que oxida la unidad de dos carbonos a un grupo acetilo.

Transportadores de grupos acilo y carboxilo

La lipoamida es un disulfuro cíclico sobre un brazo largo de lisina. Atacada por la enamina de Breslow, se reduce a un ditiol que transporta el grupo acetilo como tioéster hacia la coenzima A; el ditiol se reoxida luego por intercambio de disulfuro con la enzima FAD E3, y el FADH₂ reduce el NAD⁺. La coenzima A termina en un tiol; sus tioésteres son buenos donantes de acilo (el azufre comparte mal sus pares solitarios con el C=O, y el tiolato es un buen grupo saliente) y tienen hidrógenos α inusualmente ácidos. La acetil-CoA sintetasa los forma a partir de un acil adenilato. La biotina está unida a una lisina y transporta CO₂ en el nitrógeno N1′ de su anillo ureido. El ATP activa el bicarbonato como carboxifosfato, que carboxila la biotina; la carboxibiotina libera entonces CO₂ junto a un enolato del aceptor (piruvato, acetil-CoA o propionil-CoA), que lo captura.

Lo que conviene recordar

Ubica el núcleo reactivo del cofactor y trátalo como un grupo funcional común: el NAD⁺ es un piridinio que toma hidruro en C4, una flavina toma hidruro en N5 y devuelve electrones de a uno, la imina del PLP y el C=N⁺ del tiazolio son sumideros de electrones que hacen posibles los α-carbaniones, y los tioles (lipoamida, coenzima A) y la biotina transportan grupos acilo y carboxilo entre sitios activos.

Problemas de práctica (40)

Practicar es gratis con una cuenta.

Dibuja el mecanismo 15

Coenzima A y biotina

  • Acetil-CoA sintetasa: el acetato se activa como acetil adenilato y se transfiere a la coenzima ADibuja la adenilación del acetato en el α-fósforo del ATP con pérdida de pirofosfato y, después, la tiólisis del acil adenilato por la coenzima A para dar acetil-CoA y AMP.
  • Piruvato carboxilasa: la carboxibiotina carboxila el piruvato a oxaloacetatoDibuja la descarboxilación de la carboxibiotina, la desprotonación del piruvato por el anión de biotina y la captura de CO₂ por el enolato de piruvato para dar oxaloacetato.
  • Piruvato deshidrogenasa E2: el grupo acetilo pasa de la lipoamida a la coenzima ADibuja la transesterificación (transtioesterificación) desde la S-acetildihidrolipoamida hacia la coenzima A a través de un intermediario tetraédrico, con la histidina como base y como ácido.

Redox de NAD⁺ y flavina

  • D-aminoácido oxidasa: transferencia de hidruro de la D-alanina al N5 de la flavinaDibuja la transferencia de hidruro del carbono α de la D-alanina al N5 de una flavina oxidada, con el par solitario del amino formando la imina y los electrones de la flavina terminando en el N1.
  • Dihidrolipoamida deshidrogenasa (E3): el FAD reducido transfiere un hidruro al NAD⁺Dibuja la transferencia de hidruro desde el N5 de una flavina reducida (anión) hacia el C4 del NAD⁺, regenerando la flavina oxidada y formando NADH.
  • Glutamato deshidrogenasa: el NAD⁺ oxida el L-glutamato a 2-iminoglutaratoDibuja la desprotonación del grupo α-amonio del L-glutamato y la transferencia de hidruro desde su carbono α hacia el C4 del NAD⁺ que forma el 2-iminoglutarato.
  • Lactato deshidrogenasa: el NADH reduce el piruvato a L-lactatoDibuja la transferencia de hidruro desde el C4 del NADH hacia el carbono cetónico del piruvato, con el protón del histidinio entregado al oxígeno del carbonilo, para dar L-lactato y NAD⁺.

Tiamina y lipoamida

  • Piruvato deshidrogenasa E1: la enamina transfiere un grupo acetilo a la lipoamidaDibuja el ataque de la enamina de tiamina sobre el disulfuro de la lipoamida y el colapso que libera el iluro y deja S-acetildihidrolipoamida.
  • Piruvato descarboxilasa: descarboxilación a través de la enamina de Breslow y liberación de acetaldehídoDibuja la pérdida de CO₂ desde el lactil-ThDP hacia la enamina, la protonación del carbono de la enamina y la liberación de acetaldehído con regeneración del iluro.

Thiamine and lipoamide

  • Pyruvate dehydrogenase E3: dihydrolipoamide is reoxidised by thiol–disulfide exchangeDraw the two thiol–disulfide exchanges that transfer two electrons from dihydrolipoamide to the E3 cystine and close the lipoamide dithiolane ring.
  • Pyruvate decarboxylase: the thiamine ylide adds to pyruvateDraw formation of the thiazolium ylide by the iminopyrimidine base, its addition to the ketone carbonyl of pyruvate and protonation of the alkoxide to give lactyl-ThDP.

Fosfato de piridoxal

  • Transaminación: la aldimina externa de alanina se convierte en cetiminaDibuja la eliminación del hidrógeno α de la aldimina alanina–PLP para formar el intermediario quinonoide y, después, la protonación en C4′ para formar la cetimina.
  • Glutamato descarboxilasa: formación de GABA dependiente de PLPDibuja la pérdida de CO₂ desde la aldimina externa PLP–glutamato hacia el intermediario quinonoide y la protonación en Cα que da la aldimina de GABA.
  • Transaminación: hidrólisis de la cetimina a piruvato y PMPDibuja la hidrólisis de la cetimina del PLP a través de una carbinolamina hasta piruvato y fosfato de piridoxamina, con la lisina como lanzadera de protones.
  • Transimina del PLP: la L-alanina sustituye a la lisina del sitio activoDibuja la transimina de la aldimina interna del PLP por la L-alanina a través de la gem-diamina hasta la aldimina externa, liberando la amina de la lisina.

Predice el producto 5

Fosfato de piridoxal

  • Producto de la transaminación del aspartatoPredice el cetoácido que se libera cuando la L-aspartato cede su grupo amino al PLP.
  • Producto de la DOPA descarboxilasaPredice la amina que se forma cuando una descarboxilasa dependiente de PLP actúa sobre la L-DOPA.

Redox de NAD⁺ y flavina

  • ¿Cuál anillo es el NADH?Identifica la 1,4-dihidropiridina que se forma cuando el NAD⁺ acepta un hidruro en el C4.

Tiamina y lipoamida

  • Ordena los pasos de la piruvato deshidrogenasaOrdena los eventos de los cofactores del complejo piruvato deshidrogenasa desde el piruvato hasta el NADH.

Coenzima A y biotina

  • Producto de la propionil-CoA carboxilasaPredice en qué posición coloca el CO₂ la carboxilación dependiente de biotina sobre el propionil-CoA.

Clasificar 3

Coenzima A y biotina

  • Dónde transporta el CO₂ la biotinaIdentifica el átomo de la biotina que transporta el CO₂ en la carboxibiotina.
  • La vitamina que forma parte del coenzima AClasifica el coenzima A según la vitamina a partir de la cual se construye y distínguelo de las vitaminas precursoras de otros cofactores.

Thiamine and lipoamide

  • Which form of thiamine is the nucleophile?Identify the thiazolium ylide as the nucleophilic form of thiamine diphosphate.

Comparar 2

Redox de NAD⁺ y flavina

  • Ordena los reductores biológicosOrdena las formas reducidas de varios pares redox biológicos según su fuerza reductora, a partir de sus potenciales estándar de reducción.

Coenzima A y biotina

  • Ordena la acidez de los hidrógenos αOrdena la acidez del C–H α de una amida, un éster, un tioéster y una cetona y relaciónala con la química de la coenzima A.

Calcular 3

Coenzima A y biotina

  • Energética de la acetil-CoA sintetasaCalcula el cambio de energía libre estándar de la activación del acetato por la acetil-CoA sintetasa acoplada a la hidrólisis del pirofosfato.

Redox de NAD⁺ y flavina

  • Concentración de NADH a partir de A₃₄₀Calcula una concentración de NADH a partir de su absorbancia a 340 nm con la ley de Beer–Lambert.
  • Energía libre de la oxidación del NADH por O₂Calcula ΔG°′ para la oxidación del NADH por O₂ a partir de los potenciales de reducción estándar.

Encuentra el error 1

  • Encuentra el error en un mecanismo de descarboxilaciónDiagnostica por qué no puede ocurrir una descarboxilación dibujada directamente a partir del aminoácido libre.

Interpreta la evidencia 1

  • Interpreta un ensayo de lactato deshidrogenasaConvierte la velocidad de disminución de la absorbancia a 340 nm en un ensayo de lactato deshidrogenasa en nanomoles de NADH oxidado por minuto.

Trabaja hacia atrás 2

Fosfato de piridoxal

  • ¿Qué cetoácido da fenilalanina?Trabaja hacia atrás desde un aminoácido hasta el α-cetoácido que una aminotransferasa convierte en él.

Tiamina y lipoamida

  • ¿Qué α-cetoácido da 3-metilbutanal?Trabaja hacia atrás desde un aldehído hasta el α-cetoácido que una descarboxilasa con ThDP convierte en él.

Planea una síntesis 1

  • Elige el cofactor para una deshidrogenación C–CElige el cofactor que una enzima usa para oxidar una unidad CH₂–CH₂ a un enlace C=C trans, utilizando potenciales de reducción.

Explica por qué 7

Tiamina y lipoamida

  • Por qué los α-cetoácidos necesitan tiaminaExplica por qué los α-cetoácidos necesitan difosfato de tiamina para descarboxilarse, mientras que los β-cetoácidos se descarboxilan por sí solos.
  • Cómo el arsenito bloquea la piruvato deshidrogenasaExplica por qué el arsenito inhibe las 2-oxoácido deshidrogenasas dependientes de lipoamida.
  • Por qué el C2 de la tiamina puede desprotonarseExplica qué estabiliza el iluro de tiamina y cómo lo forma la enzima a pH 7.

Redox de NAD⁺ y flavina

  • Por qué las flavinas hablan con los conglomerados de hierro–azufreExplica por qué las flavinas, pero no el NAD⁺, pueden ceder electrones a transportadores de un electrón.

Fosfato de piridoxal

  • ¿Cómo elige un enzima con PLP el enlace que se rompe?Explica cómo un enzima con PLP selecciona cuál de los enlaces con el carbono α se rompe en la aldimina externa.
  • Qué hace el PLP por el carbono αExplica cómo la base de Schiff del PLP vuelve lábiles los enlaces con el carbono α de un aminoácido.

Coenzima A y biotina

  • Por qué la biología almacena los grupos acilo como tioésteresExplica por qué un tioéster de coenzima A transfiere su grupo acilo con más facilidad que un éster de oxígeno.

¿Atascado con cofactores y coenzimas? Escanea el problema.

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