زیست شناسی، علوم پایه ۱۲۱۷۰ بازدید

کوآنزیم یک ترکیب غیرپروتئینی آلی است که به آنزیم متصل می‌شود تا یک واکنش را کاتالیز کند. کوآنزیم‌‌ها معمولاً به عنوان «کوفاکتور» (Cofactor) شناخته می‌شوند، اما این دو، از نظر شیمیایی با یکدیگر تفاوت دارند. یک کوآنزیم به تنهایی قادر به عملکرد نیست، اما در صورت جفت شدن با آنزیم می‌تواند چندین بار در واکنش‌های آنزیمی شرکت کند.

کوآنزیم چیست؟

آنزیم پروتئینی است که به عنوان یک کاتالیزور یا به عنوان واسطه و برای سرعت بخشیدن به یک واکنش شیمیایی عمل می‌کند. ماده‌ای که عملکرد آنزیم را تقویت می‌کند، «کوآنزیم» (Coenzyme) نام دارد.

کوآنزیم‌ها مولکول‌های کوچکی هستند. آن‌ها به خودی خود نمی‌توانند واکنشی را کاتالیز کنند، اما می‌توانند در پیشرفت واکنش‌ها به آنزیم‌ها کمک کنند. از نظر فنی، کوآنزیم‌ها مولکول‌های غیرپروتئینی آلی هستند که با مولکول پروتئینی (آپوآنزیم) به هم متصل می‌شوند تا آنزیم فعال (هولوآنزیم) را تشکیل دهند. تعدادی از ویتامین‌های محلول در آب مانند ویتامین‌های B2 ،B1 و B6 به عنوان کوآنزیم‌ استفاده می‌شوند.

عملکرد کوآنزیم‌ها

یک آنزیم بدون کوآنزیم، «آپوآنزیم» (Apoenzyme) نامیده می‌شود. بدون کوآنزیم‌‌ها یا کوفاکتور‌ها، آنزیم‌‌ها نمی‌توانند واکنش‌ها را به طور موثر کاتالیز کنند. در واقع، گاهی بدون حضور انواع کوآنزیم‌ها ممکن است، آنزیم به هیچ وجه عملکردی نداشته باشد. اگر واکنش‌ها با سرعت مناسب کاتالیز نشده و ترکیبات حاصل از واکنش‌ها به موقع تولید نشوند، ارگانیسم در حفظ حیات خود با مشکل مواجه خواهد شد.

کوآنزیم
تصویر ۱: نحوه عمل کوآنزیم و تغییر شکل آپوآنزیم غیرفعال به هولوآنزیم فعال

هنگامی ‌که یک آنزیم به یک کوآنزیم اتصال می‌یابد، می‌تواند به یک «هولوآنزیم» (Holoenzyme) یا آنزیم فعال تبدیل ‌شود. آنزیم‌‌های فعال سوبستراها یا واکنش‌ دهنده‌ها را به محصولاتی تغییر می‌دهند که یک ارگانیسم برای انجام عملکرد اساسی خود، چه شیمیایی و چه فیزیولوژیکی، به آن‌ها نیاز دارد. کوآنزیم‌‌ها، مانند آنزیم‌‌ها، بدون تغییر در سرعت انجام عملکرد یا اثربخشی خود قابل استفاده مجدد و بازیافت هستند. آن‌ها به بخشی از جایگاه فعال بر روی آنزیم اتصال می‌یابند که باعث می‌شود واکنش کاتالیز شده و انجام گیرد. هنگامی‌ که یک آنزیم در اثر درجه حرارت شدید یا pH ساختار عملکردی خود را از دست می‌دهد، کوآنزیم دیگر نمی‌تواند به جایگاه فعال آن وصل شود.

انواع آنزیم‌‌‌‌ها

در اینجا ابتدا باید مروری داشته باشیم بر این نکته که آنزیم چیست؟ تا بتوانیم تقسیم‌بندی آن‌‌‌ها را مطرح کنیم و کوآنزیم‌‌‌ها را بهتر بشناسیم. آنزیم ماده‌ای است که اغلب از پروتئین ساخته شده و توسط یک ارگانیسم زنده ایجاد می‌شود که به عنوان یک کاتالیزور عمل می‌کند تا واکنش‌‌‌های بیوشیمیایی اساسی در زندگی جانداران را به انجام برساند. آنزیم‌‌‌ها براساس نوع واکنشی که کاتالیز می‌کنند، به انواع مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند، هر ارگانیسم از باکتری تک سلولی گرفته تا فیل تریلیون سلولی، آنزیم‌‌‌های فعال زیادی در بدن خود دارند.

نقش اساسی هر آنزیم افزایش سرعت واکنش‌‌‌های بیوشیمیایی است. بیشتر واکنش‌‌‌های موجود در سلول‌‌ها با کمک آنزیم‌‌ها به دلیل کاهش سطح انرژی فعال‌سازی مورد نیاز‌، تقریباً یک میلیون بار سریع‌تر اتفاق می‌افتند. آنزیم‌‌‌ها به طور معمول فقط با یک سوبسترا یعنی یک نوع مولکول خاص واکنش نشان می‌دهند. در حالت کلی در هر ارگانیسم می‌تواند هزاران آنزیم فعال وجود داشته باشد که هر یک نقشی اساسی در حیات آن را بر عهده دارند.

آنزیم‌‌‌ها براساس نوع فعالیت و واکنش‌‌‌هایی که کاتالیز می‌کنند به شش گروه مختلف تقسیم می‌شوند. آن‌‌‌ها مطابق روشی که در سطح مولکولی کار می‌کنند، سازماندهی می‌شوند. شش گروه آنزیم‌ها شامل موارد زیر هستند:

  • اکسیدو رداکتازها (Oxidoreductases)
  • ترانسفرازها (Transferases)
  • هیدرولازها (Hydrolases)
  • لیازها (Lyases)
  • ایزومرازها (Isomerases)
  • لیگازها (Ligases)
اکسیدوردوکتاز
تصویر ۲: اکسیدورودکتاز آنزیمی است که الکترون‌های منتقل شده از یک مولکول به مولکول دیگر را کاتالیز می‌کند. انتقال الکترون به معنای انتقال پروتون یک اتم هیدروژن است.

انواع مولکول‌های کمکی آنزیم‌ها

کوفاکتور‌‌‌‌ها مولکول‌‌‌‌‌هایی هستند که در طی واکنش شیمیایی به آنزیم متصل می‌شوند. به طور کلی به کلیه ترکیباتی که به آنزیم‌‌‌‌‌ها کمک می‌کنند، کوفاکتور گفته می‌شود، در واقع، برخی متون، تمام مولکول‌‌های کمکی را که به آنزیم متصل می‌شوند را انواع کوفاکتور‌ها می‌دانند، در حالی که برخی دیگر، این دسته از مواد شیمیایی را به سه گروه تقسیم می‌کنند:

کوآنزیم‌ها

کوآنزیم‌ها، مولکول‌های آلی غیرپروتئینی هستند که آزادانه به آنزیم متصل می‌شوند. بسیاری از این ترکیبات، ویتامین هستند یا از ویتامین‌ها مشتق شده‌اند. برخی از کوآنزیم‌ها نیز حاوی آدنوزین مونوفسفات (AMP) هستند. اغلب کوآنزیم‌ها در ساختار خود کربن آلی دارند. کوآنزیم‌ها ممکن است به عنوان کوسوبسترا یا گروه‌های پروستتیک نیز توصیف شوند.

آدنوزین مونو فسفات
تصویر ۳: ساختار شیمیایی آدنوزین مونوفسفات که شامل آدنین، یک قند ریبوز و یک گروه فسفات است.

کوسوبسترا‌ها

کوسوبستراها یکی از اجزای شرکت کننده در واکنش‌ها هستند که برای تولید محصول مورد نظر از واکنش ضروری به شمار می‌آیند اما به عنوان سوبسترای اصلی وارد واکنش نمی‌شوند. به عنوان بهترین مثال از کوسوبستراها یا سوبستراهای کمکی می‌توان به ATP در واکنش‌های فسفوریلاسیون اشاره کرد.

واکنش فسفوریلاسیون
تصویر ۴: واکنش فسفوریلاسیون؛ در این واکنش‌ها ATP به عنوان کوسوبسترا وارد واکنش شده و سوبسترا را فسفوریله می‌کند.

گروه‌های پروستتیک

گروه‌های پروستتیک، به عنوان مولکول‌های شریک آنزیمی به شمار می‌آیند که بر خلاف کوآنزیم‌‌‌‌‌ها یا کوفاکتور‌‌‌‌ها با پیوندی محکم یا کووالانسی به آنزیم متصل می‌شوند (به یاد داشته باشید، کوآنزیم‌ها به صورت سست به آنزیم متصل می‌شوند). در حالی که کوسوبستراها به طور موقت به آنزیم اتصال می‌یابند، گروه‌های پروستتیک به طور دائم با یک پروتئین آنزیمی پیوند می‌خورند.

گروه پروستتیک
تصویر ۵: مقایسه دو گروه از مولکول‌های کمکی آنزیم‌ها؛ کوآنزیم‌ها و گروه‌های پروستتیک

گروه‌های پروستتیک به پروتئین‌ها کمک می‌کنند تا به سایر مولکول‌ها اتصال پیدا کنند (به عنوان عناصر ساختاری عمل می‌کنند) و به عنوان حامل بار الکتریکی در واکنش‌ها وارد می‌شوند. به عنوان نمونه‌ای از یک گروه پروستتیک، می‌توان به گروه هِم در هموگلوبین، میوگلوبین و سیتوکروم‌ها اشاره کرد. آهن (Fe) موجود در مرکز گروه پروستتیک هِم به آن اجازه می‌دهد تا به ترتیب به اکسیژن در ریه‌ها متصل شده و آن‌ها در بافت‌ها آزاد کند. گروه‌های پروستتیک می‌توانند ویتامین‌‌‌‌های ارگانیک، قند‌‌‌‌ها، لیپید‌‌‌‌ها یا یون‌‌‌‌های فلزی معدنی باشند. این گروه‌‌‌‌‌ها اغلب در تنفس سلولی و فتوسنتز استفاده می‌شوند.

کوفاکتور‌ها

کوفاکتورها گونه‌های معدنی یا حداقل ترکیبات غیرپروتئینی هستند که با افزایش سرعت کاتالیز به عملکرد آنزیم کمک می‌کنند. به طور معمول، کوفاکتور‌ها یون‌های فلزی هستند. برخی از عناصر فلزی هیچ ارزش غذایی ندارند، اما چندین عنصر کمیاب در واکنش‌های بیوشیمیایی از جمله آهن، مس، روی، منیزیم، کبالت و مولیبدن به عنوان عامل مؤثر در واکنش‌ها عمل می‌کنند. این عناصر کمیاب کوفاکتوری باید از طریق رژیم غذایی تامین شوند زیرا بیشتر ارگانیسم‌‌‌‌‌ها به طور طبیعی یون‌‌‌‌‌های فلزی را تولید نمی‌کنند.

کوفاکتور
تصویر ۶: نحوه قرارگیری کوفاکتور در کمپلکس آنزیم و کوآنزیم

از سویی دیگر، به نظر نمی‌رسد برخی از عناصر کمیاب که برای تغذیه مهم هستند، به عنوان کوفاکتور در واکنش‌ها عمل کنند، از جمله این عناصر کروم، ید و کلسیم هستند.

استدلال برای استفاده از اصطلاح کوفاکتورها برای انواع مولکول‌های کمک کننده آنزیم‌ها، این است که اجزای آلی و غیرآلی برای عملکرد یک آنزیم ضروری محسوب می‌شوند.

چند اصطلاح مرتبط به کوآنزیم ها وجود دارند که شامل موارد زیر هستند:

  • آپوآنزیم: نامی است که به آنزیمی غیرفعال داده می‌شود. یک آپوآنزیم فاقد کوآنزیم‌ها یا کوفاکتورها است.
  • هولوآنزیم: هولوآنزیم‌ یا آنزیم کامل اصطلاحی است که برای توصیف آنزیمی به کار می‌رود که به کوآنزیم‌ها و کوفاکتورهای خود متصل شده و آنزیم کامل و فعالی را تشکیل داده است.
  • هولوپروتئین (Holoprotein): هولوپروتئین کلمه‌ای است که برای پروتئینی همراه با گروه پروستتیک یا کوفاکتور استفاده می‌شود.
  • کاتالیز (Catalyze): انجام و سرعت بخشیدن به یک واکنش را کاتالیز می‌گویند.
  • جایگاه فعال (Active Site): منطقه‌ای بر روی آنزیم که در طول واکنش سوبستراها بر روی آن قرار می‌گیرند را جایگاه فعال می‌گویند.
  • سوبسترا (Substrate): ماده‌ای که آنزیم بر روی آن عمل می‌کند تا محصولی جدید بسازد، سوبسترا نام دارد.

نمونه‌‌‌‌‌هایی از کوآنزیم‌‌‌‌‌ها

بیشتر ارگانیسم‌‌‌‌‌ها به اندازه کافی و موثر در بدن خود کوآنزیم تولید نمی‌کنند. از این رو، ارگانیسم‌ها به دو طریق نیاز خود به کوآنزیم‌ها را تامین می‌کنند.

ویتامین‌‌‌‌‌ها

همان طور که در بالا اشاره شد، بسیاری از کوآنزیم‌‌‌‌‌ها، نه همه آن‌‌‌‌ها ویتامین هستند و یا از ویتامین‌‌‌‌‌ها مشتق شده‌اند. اگر میزان دریافت ویتامین از رژیم غذایی خیلی کم باشد، ارگانیسم کوآنزیم‌‌‌‌‌های لازم برای کاتالیز واکنش‌‌‌‌‌ها را نخواهد داشت. ویتامین‌‌‌‌‌های محلول در آب که شامل همه ویتامین‌‌‌‌‌های گروه B و ویتامین C هستند، منجر به تولید کوآنزیم‌‌‌‌‌ها می‌شوند. دو مورد از مهم‌ترین و گسترده‌ترین کوآنزیم‌‌‌‌های مشتق شده از ویتامین‌ها، شامل نیکوتین آمید آدنین دی‌نوکلئوتید (NAD) و کوآنزیم A هستند.

نیکوتین آمید آدنین دی‌نوکلئوتید از ویتامین B3 تشکیل می‌شود و به عنوان یکی از مهم‌ترین کوآنزیم‌‌‌‌‌های یک سلول عمل می‌کند، فعالیت این کوآنزیم با تبدیل شدن به دو شکل متناوب آن همراه است. وقتی NAD الکترون را از دست می‌دهد، کوآنزیم کم انرژی به نام +NAD تشکیل می‌شود. هنگامی‌ که NAD الکترون بدست آورد، یک کوآنزیم پر انرژی به نام NADH را می‌سازد.

ساختمان کوآنزیم NAD و NADH
تصویر ۷: ساختمان کوآنزیم NAD و NADH

+NAD در درجه اول، الکترون‌‌‌‌‌های مورد نیاز برای واکنش ردوکس یا واکنش‌های اکسایش و کاهش را انتقال می‌دهد، به خصوص آن‌‌‌‌هایی که در بخش‌‌‌‌‌هایی از چرخه اسید سیتریک (Citric Acid Cycle) یا (TAC) درگیر هستند. چرخه اسید سیتریک منجر به تولید کوآنزیم‌‌‌‌‌های دیگری مانند ATP نیز می‌شود. اگر یک ارگانیسم دچار کمبود +NAD باشد، در عملکرد میتوکندری سلول‌های آن اختلال ایجاد می‌شود و این اندامک‌ها انرژی کمتری را برای فعالیت‌های حیاتی سلول‌ها فراهم می‌کنند.

هنگامی ‌که +NAD از طریق واکنش ردوکس ، الکترون‌‌‌‌ها را بدست آورد، NADH تشکیل می‌شود. کوآنزیم NADH اغلب به عنوان «کوآنزیم 1» مطرح می‌شود و عملکرد‌‌‌‌های بی‌شماری دارد. در حقیقت NADH، کوآنزیم شماره یک در بدن انسان به حساب می‌آید، زیرا برای انجام بسیاری از واکنش‌های حیاتی بدن لازم است.

این کوآنزیم در درجه اول الکترون‌‌‌‌هایی را برای واکنش با خود حمل می‌کند و از مواد غذایی انرژی تولید می‌کند. به عنوان مثال، «زنجیره انتقال الکترون» (Electron Transport Chain) فقط با تحویل الکترون‌‌‌‌‌ها از NADH می‌تواند آغاز ‌شود. کمبود NADH باعث کمبود انرژی در سلول‌‌‌‌‌ها و در نتیجه اختلال در واکنش‌های سراسر بدن می‌شود. علاوه بر این، کوآنزیم NADH به عنوان قوی‌ترین آنتی اکسیدان بیولوژیکی برای محافظت از سلول‌‌‌‌‌ها در برابر مواد مضر یا آسیب‌زا شناخته شده است.

«کوآنزیم آ» (Coenzyme A) که به نام «استیل کوآ» (Acetyl-CoA) نیز شناخته می‌شود، به طور طبیعی از ویتامین B5 منشا می‌گیرد. این کوآنزیم چندین کارکرد مختلف دارد. در وهله اول کوآنزیم A مسئول آغاز تولید اسید چرب در سلول‌‌‌‌‌ها است. اسید‌‌‌‌های چرب دو لایه فسفولیپید را تشکیل می‌دهند که غشای سلولی که یکی از اجزای ضروری هر سلولی است را می‌سازند. کوآنزیم A همچنین چرخه اسید سیتریک را آغاز می‌کند و در نتیجه ATP یا واحدهای انرژی بدن تولید می‌شود.

ساختمان کوآنزیم A
تصویر ۸: ساختمان کوآنزیم A

غیرویتامین‌‌‌‌‌ها

کوآنزیم‌‌‌‌‌های غیرویتامینی به طور معمول در انتقال شیمیایی به آنزیم‌‌‌‌‌ها کمک می‌کنند. حضور این کوآنزیم‌ها، انجام برخی از واکنش‌ها را در بدن تضمین می‌کنند از جمله این واکنش‌ها می‌توان به عملکرد‌‌‌‌های فیزیولوژیکی، مانند لخته شدن خون و متابولیسم در بدن اشاره کرد. این کوآنزیم‌‌‌‌‌ها می‌توانند از نوکلئوتید‌‌‌‌هایی نظیر آدنوزین، اوراسیل، گوانین یا اینوزین تولید شوند.

آدنوزین تری فسفات (ATP) نمونه‌ای از کوآنزیم ضروری غیرویتامینی است. در حقیقت، این کوآنزیم گسترده‌ترین توزیع را نسبت به سایر کوآنزیم‌ها در بدن انسان دارد. آدنوزین تری فسفات، سوبستراها را در بدن جابجا کرده و ذخایر انرژی لازم برای واکنش‌‌‌‌های شیمیایی و انقباض عضلات را تأمین می‌کند.

برای انجام این کار، ATP هم فسفات و هم انرژی را به نقاط مختلف درون سلول حمل می‌کند. هنگامی ‌که از مولکول ATP، فسفات جدا شود، با شکستن این پیوند، انرژی آزاد می‌شود. این فرآیند در نتیجه زنجیره انتقال الکترونی اتفاق می‌افتد. بدون وجود کوآنزیم ATP، انرژی کمی‌ در سطح سلولی وجود خواهد داشت و عملکرد‌‌‌‌های عادی زندگی نمی‌توانند انجام شوند.

در اینجا مثالی از زنجیره انتقال الکترونی آورده شده است. کوآنزیم ویتامینی NADH فرآیند زنجیره انتقال الکترون را با ارسال الکترون‌‌‌‌‌ها آغاز می‌کند. ATP محصول نهایی این زنجیره است:

زنجیره انتقال الکترون
تصویر ۹: نحوه عملکرد NADH در زنجیره انتقال الکترون با تولید ATP

اگر مطالعه این مطلب برای شما مفید بود، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شود:

^^

بر اساس رای ۴۸ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

شکوفه دلخواهی کارشناس ارشد نانوبیوتکنولوژی است. فعالیت‌های علمی و کاری او در زمینه تکنیک‌های زیست فناوری و طراحی نانوزیست‌حسگر بوده و اکنون در مجله فرادرس آموزش‌های زیست‌شناسی می‌نویسد.