Cofattori, coenzimi e vitamine: gli aiutanti degli enzimi

Molti enzimi, da soli, non funzionano: la parte proteica fornisce la struttura, ma per catalizzare hanno bisogno di un aiutante chimico, un cofattore. Può essere uno ione metallico o una molecola organica complessa, e in moltissimi casi quest’ultima deriva da una vitamina. Capire i cofattori spiega anche perché certe carenze alimentari hanno effetti così gravi.

Vediamo che cosa distingue cofattori e coenzimi, il ruolo degli ioni metallici, i grandi trasportatori NAD e FAD e il legame tra coenzimi e vitamine.

Apoenzima, cofattore, oloenzima

La parte proteica priva del suo aiutante chimico si chiama apoenzima ed è cataliticamente inattiva. Quando si lega il cofattore, si forma l’oloenzima, la forma completa e attiva. Il cofattore può essere uno ione metallico oppure una molecola organica; in quest’ultimo caso si parla di coenzima. Quando il cofattore è legato in modo molto stretto o covalente, prende il nome di gruppo prostetico.

apoenzima (proteina) + cofattore = oloenzima (attivo)

Gli ioni metallici come cofattori

Molti enzimi richiedono uno ione metallico per funzionare: zinco, magnesio, ferro, rame, manganese. Questi ioni svolgono compiti che la sola proteina non potrebbe: stabilizzano cariche negative, orientano il substrato nel sito attivo, oppure partecipano direttamente a reazioni di ossidoriduzione cambiando il proprio stato di ossidazione. Il magnesio, per esempio, è indispensabile a tutti gli enzimi che usano l’ATP; il ferro è al centro dei citocromi della respirazione; lo zinco è presente in centinaia di enzimi, dall’anidrasi carbonica alle proteasi.

NAD e FAD: i trasportatori di elettroni

Tra i coenzimi più importanti ci sono i trasportatori di elettroni del metabolismo energetico. Il NAD (nicotinammide adenina dinucleotide) raccoglie elettroni e protoni nelle reazioni di ossidazione: la sua forma ossidata NAD⁺ si riduce a NADH accettando due elettroni e un protone. Il FAD (flavina adenina dinucleotide) fa un lavoro analogo riducendosi a FADH₂. Questi coenzimi non restano legati a un solo enzima: fanno la spola tra reazioni diverse, raccogliendo elettroni dove vengono liberati (per esempio nella glicolisi e nel ciclo di Krebs) e cedendoli alla catena respiratoria, dove servono a produrre ATP.

NAD⁺ + 2e− + H⁺ → NADH

La logica è quella di una moneta di scambio: l’energia degli elettroni viene immagazzinata temporaneamente nella forma ridotta del coenzima e poi spesa altrove. Senza questi trasportatori il metabolismo energetico semplicemente non funzionerebbe.

Le vitamine come precursori dei coenzimi

Ecco il punto che collega la biochimica alla nutrizione: molti coenzimi derivano direttamente dalle vitamine, in particolare quelle del gruppo B, che l’organismo non sa sintetizzare e deve assumere con la dieta. La niacina (vitamina B3) è il precursore del NAD; la riboflavina (B2) lo è del FAD; la tiamina (B1) del coenzima delle decarbossilazioni; l’acido pantotenico del coenzima A, centrale nel metabolismo. È per questo che una carenza vitaminica si traduce in malattie: senza la vitamina manca il coenzima, e gli enzimi che ne dipendono non lavorano. La pellagra, dovuta a carenza di niacina, è l’esempio storico di un’intera classe di reazioni che si bloccano per mancanza del precursore di un coenzima.

Vitamine e coenzimi corrispondenti

La tabella collega alcune vitamine del gruppo B al coenzima che ne deriva e alla funzione che svolge:

Questa corrispondenza spiega in termini molecolari perché le vitamine sono essenziali in quantità minime ma indispensabili: bastano poche molecole per rigenerare di continuo i coenzimi, ma se mancano del tutto interi blocchi di metabolismo si fermano.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra cofattore e coenzima?

Cofattore è il termine generale per qualunque componente non proteico necessario all’attività di un enzima. Può essere uno ione metallico (come zinco o magnesio) oppure una molecola organica: in quest’ultimo caso si chiama coenzima. Quindi tutti i coenzimi sono cofattori, ma non tutti i cofattori sono coenzimi.

Che cosa sono apoenzima e oloenzima?

L’apoenzima è la sola parte proteica dell’enzima, priva del cofattore, ed è cataliticamente inattiva. Quando si lega al suo cofattore forma l’oloenzima, la versione completa e attiva. Solo l’oloenzima è in grado di catalizzare la reazione.

A che cosa servono NAD e FAD?

Sono coenzimi trasportatori di elettroni nel metabolismo energetico. Il NAD si riduce a NADH e il FAD a FADH₂ raccogliendo gli elettroni liberati nelle reazioni di ossidazione, per esempio nella glicolisi e nel ciclo di Krebs, e poi li cedono alla catena respiratoria, dove servono a produrre ATP. Si riciclano di continuo tra forma ossidata e ridotta.

Perché le vitamine sono importanti per gli enzimi?

Perché molti coenzimi derivano da vitamine, soprattutto quelle del gruppo B, che l’organismo non sa produrre e deve assumere con la dieta. La niacina dà origine al NAD, la riboflavina al FAD, e così via. Senza la vitamina manca il coenzima, e gli enzimi che ne dipendono smettono di funzionare: per questo le carenze vitaminiche causano malattie.

Gli ioni metallici sono cofattori?

Sì. Molti enzimi richiedono uno ione metallico per funzionare: zinco, magnesio, ferro, rame, manganese. Gli ioni metallici stabilizzano cariche, orientano il substrato o partecipano direttamente alle ossidoriduzioni cambiando stato di ossidazione. Il magnesio, per esempio, è necessario a tutti gli enzimi che utilizzano l’ATP.