Vitaminen zijn essentiële verbindingen die via de voeding moeten worden verkregen omdat het lichaam ze niet kan synthetiseren. Een van de redenen waarom vitamines nodig zijn, is omdat ze een indirecte rol spelen bij katalyse, waarbij enzymen chemische reacties versnellen. De meeste vitamines kunnen echter niet alleen enzymen helpen. Om deel te nemen aan katalytische reacties, moeten de meeste vitamines veranderen in co-enzymen die kleine "co-piloot"-moleculen zijn die samenwerken met enzymen. Deze co-enzymen zijn buitengewoon nuttig omdat ze hetzelfde blijven na katalyse, dus ze worden meerdere keren gerecycled en hergebruikt.
Vitaminen omzetten in co-enzymen
De meeste vitamines moeten worden omgezet in co-enzymen voordat ze zich kunnen koppelen aan enzymen. Deze veranderingen voegen kleine functionele groepen zoals fosfaten toe aan de vitaminestructuur, of ze omvatten reductie-oxidatie of redoxreacties waarbij elektronen worden toegevoegd of verwijderd. Vitamine B2 moet bijvoorbeeld een fosfaatgroep, PO3-, grijpen en binden om het co-enzym FMN te vormen. Foliumzuur is een vitamine die door een redoxreactie gaat en twee van zijn bindingen vermindert door elektronen te winnen en het krijgt vier waterstofatomen om het co-enzym THF te vormen.
Co-enzymreactiemechanismen
Co-enzymen helpen enzymen door elektronen over te dragen in redoxreacties of door functionele groepen toe te voegen aan substraten, die door het enzym worden omgezet in het eindproduct. De functionele groepen die co-enzymen aan het substraat toevoegen zijn relatief klein: het co-enzym PLP voegt bijvoorbeeld een aminegroep toe, -NH2. Co-enzymen voeren ook redoxreacties uit. Ze nemen ofwel elektronen van het substraat of geven er elektronen aan af. Deze reacties zijn omkeerbaar en zijn afhankelijk van de concentraties van zowel geoxideerde als gereduceerde vormen van het co-enzym. Hoe meer geoxideerde co-enzymen, hoe meer reductie er zal zijn, en vice versa.
Co-enzymen en metabolisme
Co-enzymen voeren vrij eenvoudige chemische reacties uit, maar deze reacties hebben een grote invloed op metabolische functies. Vitamine K voorkomt bloedstolling door de synthese van gamma-carboxyglutamaat te versnellen, een molecuul dat zich bindt aan vrij zwevende calciumionen. Er is veel minder calciumopbouw in de bloedvaten en een lager risico op hartaandoeningen. Energie wordt ook opgeslagen in co-enzymen tijdens cellulaire ademhaling, waarbij cellen energie halen uit het afbreken van voedsel. Deze energie komt later vrij door de opgeslagen co-enzymen te oxideren.
Co-enzymen recyclen
Een van de belangrijkste kenmerken van een co-enzym is dat het niet permanent wordt veranderd door katalyse. Alle veranderingen in de structuur van het co-enzym worden ongedaan gemaakt voordat het wordt gerecycled. Co-enzymen die deelnemen aan redoxreacties, zoals FAD en NAD+, worden terug omgezet naar hun vorige vorm door elektronen te verliezen. Niet alle co-enzymen worden zo snel teruggezet, vooral co-enzymen die functionele groepen overdragen. THF bindt bijvoorbeeld aan een CH2-groep en wordt omgezet in DHF nadat de reactie is voltooid. DHF wordt gereduceerd tot THF en het enzym wordt hergebruikt.