Witaminy są niezbędnymi związkami, które muszą być pozyskiwane z dietą, ponieważ organizm nie może ich syntetyzować. Jednym z powodów, dla których witaminy są potrzebne, jest to, że odgrywają pośrednią rolę w katalizie, w której enzymy przyspieszają reakcje chemiczne. Jednak większość witamin nie może samodzielnie pomóc enzymom. Aby wziąć udział w reakcjach katalitycznych, większość witamin musi zmienić się w koenzymy, które są małymi cząsteczkami „drugiego pilota”, które łączą się z enzymami. Te koenzymy są niezwykle przydatne, ponieważ po katalizie pozostają takie same, więc są wielokrotnie poddawane recyklingowi i ponownie wykorzystywane.
Przekształcanie witamin w koenzymy
Większość witamin musi zostać przekształcona w koenzymy, zanim będą mogły połączyć się z enzymami. Zmiany te dodają do struktury witaminy małe grupy funkcyjne, takie jak fosforany, lub obejmują reakcje redukcyjno-utleniające lub redoks, w których elektrony są albo dodawane, albo usuwane. Na przykład witamina B2 musi uchwycić i związać się z grupą fosforanową PO3-, tworząc koenzym FMN. Folian jest witaminą, która przechodzi reakcję redoks i redukuje dwa ze swoich wiązań, zdobywając elektrony i dostaje cztery wodory, tworząc koenzym THF.
Mechanizmy reakcji koenzymu
Koenzymy pomagają enzymom poprzez przenoszenie elektronów w reakcjach redoks lub dodawanie grup funkcyjnych do substratów, które są przekształcane w produkt końcowy przez enzym. Grupy funkcyjne, które koenzymy dodają do substratu są stosunkowo małe: koenzym PLP dodaje na przykład grupę aminową, -NH2. Koenzymy przeprowadzają również reakcje redoks. Albo pobierają elektrony z podłoża, albo dają mu elektrony. Reakcje te są odwracalne i zależą od stężeń zarówno utlenionych, jak i zredukowanych form koenzymu. Im więcej utlenionych koenzymów, tym większa redukcja i na odwrót.
Koenzymy i metabolizm
Koenzymy przeprowadzają dość proste reakcje chemiczne, ale te reakcje mają duży wpływ na funkcje metaboliczne. Witamina K zapobiega krzepnięciu krwi, przyspieszając syntezę gamma-karboksyglutaminianu, cząsteczki wiążącej się z swobodnie unoszącymi się jonami wapnia. W tętnicach gromadzi się znacznie mniej wapnia, a ryzyko chorób serca jest mniejsze. Energia jest również magazynowana w koenzymach podczas oddychania komórkowego, podczas którego komórki pozyskują energię z rozkładania pokarmu. Energia ta jest później uwalniana poprzez utlenianie zmagazynowanych koenzymów.
Recykling koenzymów
Jedną z głównych cech koenzymu jest to, że nie jest on trwale zmieniany przez katalizę. Wszelkie zmiany w strukturze koenzymu są cofane przed jego recyklingiem. Koenzymy biorące udział w reakcjach redoks, takie jak FAD i NAD+, są przekształcane z powrotem do swojej poprzedniej postaci poprzez utratę elektronów. Nie wszystkie koenzymy są tak szybko zmieniane, zwłaszcza koenzymy przenoszące grupy funkcyjne. Na przykład THF wiąże się z grupą CH2 i jest przekształcany w DHF po zakończeniu reakcji. DHF jest redukowany do THF, a enzym jest ponownie używany.