Coenzyme

Les coenzymes (féminin ou masculin^[1]^,^[2]) sont des molécules organiques particulières, pouvant inclure des ions métalliques, ayant pour spécificité de servir de cofacteurs à certaines enzymes, en participant obligatoirement à la réaction catalytique. Deux types de coenzymes peuvent être distinguées : celles qui sont structurellement liées par une liaison covalente à l'enzyme au sein d'un complexe stable et qu'on qualifie de groupements prosthétiques, et celles qui se lient de manière transitoire à l'enzyme et participent au cycle catalytique.

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Dans le cas des premières qui forment des complexes stables, la coenzyme fait partie intégrante de l'enzyme, la partie purement protéique est appelée apoenzyme ; tandis que la protéine associée à sa ou ses coenzyme(s) est appelée holoenzyme. La spécificité réactionnelle est portée par une structure de type holoenzymatique.

Les coenzymes sont impliquées directement dans la catalyse, par exemple :

comme substrats particuliers (cosubstrats) comme des coenzymes apportant l'énergie (ATP, GTP, etc.) ou comme coenzymes rédox (NAD, FAD, groupements héminiques, etc.) ;
comme activateurs de substrats [la Coenzyme A (constitué d'un nucléotide, l'adénosine diphosphate ou ADP, d'une vitamine, la vitamine B₅ ou acide pantothénique et d'un acide aminé, la cystéine, légèrement modifiés et liés entre eux.), la Biotine alias vitamine B₈,…) ;
comme groupe, ou groupement, prosthétique, lié au site actif (Thiamine-pyrophosphate ou TPP, un dérivé de l'Aneurine alias vitamine B₁, Pyridoxal-Phosphate ou PLP, un dérivé de la Pyridoxine alias vitamine B₆, etc.).

Cette classification est contestable mais repose sur les fonctions (qui peuvent être regroupées autrement) et non sur la distinction groupement prosthétique/coenzyme libre. NAD est libre, FAD est lié mais les deux coenzymes ont le même rôle de transfert d'électrons et d'ions H⁺.

Autre possibilité de classement :

des coenzymes rédox (qui existent donc sous deux formes, réduite et oxydée) ;
des coenzymes de transfert de groupements ;
des coenzymes activateurs de substrats (qui peuvent être classés aussi dans les précédents).

Caractéristiques

Définition

Une définition possible du mot "coenzyme" :

molécule non protéique de faible masse molaire ;
strictement indispensable à l'activité enzymatique mais non responsable de la stéréospécificité ni de l'orientation de la réaction ;
de concentration cellulaire faible et donc toujours régénérée en fin de réaction par la réaction elle-même ou une autre réaction cellulaire ;
incluant éventuellement un ion métallique participant à la réaction (Fer II ou III, Cobalt…) ou d'autres éléments (Soufre…). Dans certains cas, des ions métalliques participent par chélation (ex. : ions Mg²⁺ dans l'ATP, dont ils stabilisent la structure).

Origine et biosynthèse

Les coenzymes sont indispensables à l'activité de l'enzyme. Ces composés organiques peuvent être :

soit synthétisés par la cellule utilisatrice, au travers d'une voie de biosynthèse spécifique, le plus souvent complexe, pour des êtres vivants autotrophes ;
soit obtenus, pour des êtres vivants incapables de les synthétiser (hétérotrophes), à partir de précurseurs dans le milieu pour certains cofacteurs chez les organismes auxotrophes. Pour les animaux supérieurs, ces cofacteurs ou leurs précurseurs sont des vitamines. Par exemple, pour les êtres humains, le phosphate de pyridoxal (PLP), la coenzyme de nombreuses décarboxylases et aminotransférases (transaminases), est dérivé de la pyridoxine (vitamine B₆). En revanche, notre organisme est capable de synthétiser les porphyrines, constituant du groupement hème présent dans l'hémoglobine et les cytochromes.

Les organismes autotrophes (plantes, nombreux procaryotes) synthétisent tous les coenzymes nécessaires à leur métabolisme.

Participation à la catalyse

Il existe quelques dizaines de coenzymes connus, pour plusieurs milliers d'enzymes : la spécificité de la réaction dépend uniquement de l'apoenzyme et non du coenzyme. Les coenzymes substrats sont régénérés et retournent à leur état initial, soit au cours du cycle catalytique de l'enzyme lui-même, soit lors d'une seconde réaction enzymatique.

Dans leur structure chimique, les coenzymes sont souvent riches en électrons π (par un ou plusieurs noyaux aromatiques) qui contribuent à leur fonc-tion dans le cycle catalytique de l'enzyme. Elles réagissent stœchiométriquement (mole à mole) durant la réaction enzymatique.

Types

Les coenzymes ont des rôles variés. Il est possible de distinguer les coenzymes par leur rapport structural avec l'apoenzyme mais cette approche se heurte aux rôles de ces coenzymes.

Première approche

Comme substrats particuliers (cosubstrats) comme des coenzymes rédox (NAD, FAD, groupements héminiques, etc.), l'ATP. L'enzyme utilise le coenzyme qui sera régénéré dans une autre réaction inverse (le NAD transformé en NADH est régénéré par la chaine respiratoire par exemple), l'ATP est produit par une réaction très exergonique ou par l'ATP synthase liée à la chaine respiratoire.
Comme activateurs de substrats (coenzyme A, biotine…) permettant le transfert sur un substrat d'autres molécules comme le CO₂ (biotine) ou permettant au substrat activé des réactions sinon difficiles (coenzyme A dans l'acétyl-CoA…).
Comme partie du site actif catalytique (thiamine pyrophosphate, pyridoxal-phosphate…) : le coenzyme réalise la réaction, l'holoenzyme assurant la spécificité.

Deuxième approche

Des coenzymes rédox (qui existent donc sous deux formes, réduite et oxydée) : ces coenzymes transfèrent des électrons (et éventuellement des protons) à partir d'un substrat pour les placer sur un autre substrat (ex. : production de NADH dans la glycolyse puis consommation du NADH dans la fermentation lactique ou dans la chaine respiratoire). Ce sont le plus souvent des cosubstrats.
Des coenzymes de transfert de groupements comme le phosphate (ATP), le CO₂ (Biotine), un groupement 2-oxo (Thiamine pyrophosphate).
Des coenzymes activateurs de substrats (qui peuvent être classés aussi dans les précédents).

Classer est parfois difficile : des transferts de groupements sont parfois liés à des réactions rédox intermédiaires (voir cobalamine dans la méthyl-malonyl mutase par exemple dans Wikipedia en anglais).