Le vitamine sono composti essenziali che devono essere acquisiti attraverso la dieta perché l'organismo non è in grado di sintetizzarli. Uno dei motivi per cui le vitamine sono necessarie è perché svolgono un ruolo indiretto nella catalisi, in cui gli enzimi accelerano le reazioni chimiche. Tuttavia, la maggior parte delle vitamine non può aiutare gli enzimi da soli. Per partecipare alle reazioni catalitiche, la maggior parte delle vitamine deve trasformarsi in coenzimi che sono piccole molecole "co-pilota" che si accoppiano con gli enzimi. Questi coenzimi sono estremamente utili perché rimangono gli stessi dopo la catalisi, quindi vengono riciclati e riutilizzati più volte.
Conversione di vitamine in coenzimi
La maggior parte delle vitamine deve essere convertita in coenzimi prima di potersi accoppiare con gli enzimi. Questi cambiamenti aggiungono piccoli gruppi funzionali come i fosfati alla struttura della vitamina, o comportano reazioni di riduzione-ossidazione o redox, in cui gli elettroni vengono aggiunti o rimossi. Ad esempio, la vitamina B2 deve afferrare e legarsi a un gruppo fosfato, PO3-, per formare il coenzima FMN. Il folato è una vitamina che passa attraverso una reazione redox e riduce due dei suoi legami acquisendo elettroni e ottiene quattro idrogeni per formare il coenzima THF.
Meccanismi di reazione del coenzima
I coenzimi aiutano gli enzimi trasferendo elettroni nelle reazioni redox o aggiungendo gruppi funzionali ai substrati, che vengono convertiti nel prodotto finale dall'enzima. I gruppi funzionali che i coenzimi aggiungono al substrato sono relativamente piccoli: il coenzima PLP aggiunge un gruppo amminico, -NH2, per esempio. I coenzimi eseguono anche reazioni redox. O prendono elettroni dal substrato o gli danno elettroni. Queste reazioni sono reversibili e dipendono dalle concentrazioni di entrambe le forme ossidate e ridotte del coenzima. Più i coenzimi sono ossidati, maggiore sarà la riduzione e viceversa.
Coenzimi e metabolismo
I coenzimi svolgono reazioni chimiche abbastanza semplici, ma queste reazioni hanno un impatto importante sulle funzioni metaboliche. La vitamina K previene la coagulazione del sangue accelerando la sintesi del gamma-carbossiglutammato, una molecola che si lega agli ioni calcio fluttuanti. C'è molto meno accumulo di calcio nelle arterie e un minor rischio di malattie cardiache. L'energia viene anche immagazzinata nei coenzimi durante la respirazione cellulare, durante la quale le cellule ottengono energia dalla scomposizione del cibo. Questa energia viene rilasciata in seguito ossidando i coenzimi immagazzinati.
Riciclo dei coenzimi
Una delle caratteristiche principali di un coenzima è che non viene modificato in modo permanente dalla catalisi. Qualsiasi cambiamento nella struttura del coenzima viene invertito prima che venga riciclato. I coenzimi che partecipano alle reazioni redox, come FAD e NAD+, vengono riconvertiti alla loro forma precedente perdendo elettroni. Non tutti i coenzimi vengono ripristinati così rapidamente, in particolare i coenzimi che trasferiscono gruppi funzionali. Ad esempio, il THF si lega a un gruppo CH2 e viene convertito in DHF al termine della reazione. Il DHF viene ridotto a THF e l'enzima viene riutilizzato.