Vitamine sind essentielle Verbindungen, die über die Nahrung aufgenommen werden müssen, da der Körper sie nicht synthetisieren kann. Vitamine werden unter anderem deshalb benötigt, weil sie eine indirekte Rolle bei der Katalyse spielen, bei der Enzyme chemische Reaktionen beschleunigen. Allerdings können die meisten Vitamine den Enzymen allein nicht helfen. Um an katalytischen Reaktionen teilnehmen zu können, müssen sich die meisten Vitamine in Coenzyme umwandeln, bei denen es sich um kleine "Co-Pilot"-Moleküle handelt, die sich mit Enzymen paaren. Diese Coenzyme sind äußerst nützlich, da sie nach der Katalyse gleich bleiben und daher recycelt und mehrmals wiederverwendet werden.
Umwandlung von Vitaminen in Coenzyme
Die meisten Vitamine müssen in Coenzyme umgewandelt werden, bevor sie sich mit Enzymen paaren können. Diese Veränderungen fügen der Vitaminstruktur kleine funktionelle Gruppen wie Phosphate hinzu, oder sie beinhalten Reduktions-Oxidations- oder Redoxreaktionen, bei denen Elektronen entweder hinzugefügt oder entfernt werden. Vitamin B2 muss beispielsweise eine Phosphatgruppe, PO3-, greifen und daran binden, um das Coenzym FMN zu bilden. Folat ist ein Vitamin, das eine Redoxreaktion durchläuft und zwei seiner Bindungen durch Elektronenaufnahme reduziert und vier Wasserstoffatome erhält, um das Coenzym THF zu bilden.
Coenzym-Reaktionsmechanismen
Coenzyme helfen Enzymen, indem sie bei Redoxreaktionen Elektronen übertragen oder funktionelle Gruppen zu Substraten hinzufügen, die vom Enzym in das Endprodukt umgewandelt werden. Die funktionellen Gruppen, die Coenzyme an das Substrat anfügen, sind relativ klein: Das Coenzym PLP fügt beispielsweise eine Amingruppe, -NH2, hinzu. Coenzyme führen auch Redoxreaktionen durch. Entweder nehmen sie dem Substrat Elektronen auf oder geben ihm Elektronen ab. Diese Reaktionen sind reversibel und hängen von den Konzentrationen sowohl der oxidierten als auch der reduzierten Form des Coenzyms ab. Je mehr Coenzyme oxidiert sind, desto stärker wird reduziert und umgekehrt.
Coenzyme und Stoffwechsel
Coenzyme führen relativ einfache chemische Reaktionen durch, die jedoch einen großen Einfluss auf die Stoffwechselfunktionen haben. Vitamin K verhindert die Blutgerinnung, indem es die Synthese von Gamma-Carboxyglutamat beschleunigt, einem Molekül, das an frei schwebende Calciumionen bindet. Es gibt viel weniger Kalziumansammlungen in den Arterien und ein geringeres Risiko für Herzerkrankungen. Energie wird auch während der Zellatmung in Coenzymen gespeichert, bei der die Zellen Energie durch den Abbau von Nahrung gewinnen. Diese Energie wird später durch Oxidation der gespeicherten Coenzyme freigesetzt.
Recycling von Coenzymen
Eine der Haupteigenschaften eines Coenzyms ist, dass es durch Katalyse nicht dauerhaft verändert wird. Alle Veränderungen in der Struktur des Coenzyms werden rückgängig gemacht, bevor es recycelt wird. Coenzyme, die an Redoxreaktionen teilnehmen, wie FAD und NAD+, werden durch Elektronenverlust in ihre vorherige Form zurückverwandelt. Nicht alle Coenzyme werden so schnell zurückverwandelt, insbesondere Coenzyme, die funktionelle Gruppen übertragen. THF bindet beispielsweise an eine CH2-Gruppe und wird nach Beendigung der Reaktion in DHF umgewandelt. DHF wird zu THF reduziert und das Enzym wird wiederverwendet.