Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (NADP) und Nicotinamidadenindinucleoid (NAD+) unterscheiden sich nur durch eine Phosphorylgruppe an der 2'-Stellung des Adenosins. Sie unterscheiden sich nicht bezüglich ihres Redoxpotentials. Im Verlauf des katabolen Stoffwechsels wird NAD+ überwiegend als Elektronenakzeptor verwendet. Die Elektronen werden in der Atmungskette schließlich auf einen terminalen Elektronenakzeptor (z.B. Sauerstoff) übertragen. NADPH wird in reduktiven Synthesewegen als Elektronendonor verwendet. Da für die jeweilige Funktionen innherhalb der Zellen unterschiedliche Anforderungen bezüglich der Redoxpotentiale bestehen, liegen die Redoxpaare NAD+/NADH bzw. NADP+/NADPH in jeweils unterschiedlichen Verhältnissen zueinander vor. Die zusätzliche Phosphorylgruppe dient der Unterscheidung zwischen den beiden „Redox-Pools“.
Wenn NAD+ bzw. NADP+ an einer Reaktion beteiligt ist, kommt es durch die Reduktion des Nicotinamids zu einem Verlust des aromatischen Systems. Dieser Vorgang kann spektroskopisch durch Absoprtionsänderung bei 340 nm verfolgt werden. Da der NAD+ bzw. NADH-Umsatz in einem stöchiometrischen Verhltnis zu einem weiteren Substrat erfolgt, kann anahnd der Absorptionsänderung auf die Menge des vorliegenden Substrats geschlossen werden (sofern NAD+ bzw. NADP+ im Überschuss vorliegen).
Die Nicotinamidnucleotide werden von den Enzymen nicht fest gebunden; d.h. nach erfolgter Reaktion am Enzym dissoziieren sie von diesem wieder ab (Funktion als Co-Substrat). Flavinnucleotide werden hingegen sehr fest, z.T. kovalent von den Enzymen gebunden. Bei der Reinigung solcher Enzyme, erhält man daher farbige, meist gelblich-rote, Präparationen. Nicotinamidnucleotide sind auf die Übertragung eines Hydrid-Ions festgelegt. Im Gegensatz hierzu können Flavoproteine die Elektronen nacheinander übertragen und somit zwischen Reaktionen mit Hydrid-Ionen-Transfer und einfachen Elektronentransfers vermitteln.
Das Isoalloxazin-Gerüst besitzt eine verschiebbare Elektronenwolke. Je nach der unmittelbaren Umgebung dieses Systems können die Elektronen in bestimmte Bereiche verschoben und somit das Redoxpotential an distinkten Stellen beeinflusst werden. Innerhalb des Isoalloxazin-Gerüsts ist die Pyrimidin-Grundstruktur im oxidierten Zustand elektronendefizient. Durch die unmittelbare Umgebung positiv geladener Gruppen wird die Elektronendichte weiter verringert, es resultiert eine Erhöhung der Elektronenaffinität (höheres Redoxpotential). Im reduzierten Zustand ist die negative Ladung auf den Pyrimidinring mit den angrenzenden N5 und N10 verteilt (im reduzierten Zustand kann Flavin an N1 bzw. N5 deprotoniert vorliegen). Positive Ladungen in unmittelbarer Nähe des Pyrimidinrings stabilisieren die reduzierte Form. Umgekehrt bewirken negative Ladungen, aber auch eine hydrophobe Umgebung, eine Erniedrigung des Redoxpotentials. Diese „Steuerbarkeit“ des Redoxpotentials und die Fähigkeit zwischen Ein- und Zwei-Elektronenübertragungen vermitteln zu können, machen Flavoproteine zu idealen Elektronenüberträgern zwischen dem NAD(P)H-Pool und anderen Redoxsysteme (FeS-Proteine, Cytochrome etc.).
Glutathion ist im reduzierten Zustand (GSH) ein Tripeptid, bestehend aus den Aminosäuren Glutamat, Cystein und Glycin. Die Synthese erfolgt nicht-ribosomal durch zwei Synthetasen aus den freien Aminosäuren. Die Hauptfunktionen von Glutathion sind:
Die cytoplasmatischen Proteine im reduzierten Zustand zu halten (Verhinderung der Bildung von Disulfidbrücken bzw der Oxidation der SH-Gruppe des Cysteins). Diese Reaktionen werden von Glutaredoxin, welches die Elektronen von Glutathion auf das Substrat überträgt, katalysiert.
Abfangen von toxischen Peroxiden und freien Radikalen durch Glutathion-Peroxidase.
Markierung verschiedener Substanzen zum gezielten Austransport durch Kopplung mit Glutathion. Die Elektronen zur Reduktion von oxidiertem Glutathion (GSSG) zu GSH stammem von NADPH. Die Glutathionreduktion wird durch Glutathion-Reductase katalysiert.
Eisen-Schwefel-Proteine sind Proteine mit sogenannten Eisen-Schwfel-Clustern. In diesen Strukturen sind Eisenionen käfigartig mit anorganischem (Sulfid-)Schwefel (S2–) komplexiert. Die Eisen-Schwefel-Cluster dienen überwiegend dem Elektronentransport, wobei das Eisen seine Wertigkeit ändert.
Eisen-Schwefel-Cluster sind jedoch keine starren Strukturen. Durch Assoziation mit weiteren Metallionen kann es zu weitreichenden Strukturänderungen kommen („Sensor-Eigenschaften“; z.B. bei der intrazellulären Eisenspeicherung; außerdem vermutlich auch für NO, O2 und O2–).
Weitere Funktionen von Eisen-Schwefel-Proteinen sind Bindung von Substraten (Bsp: Aconitase) und Funktion als strukturgebendes bzw. stabilisierendes Motiv.
Eisen-Schwefel-Proteine sind ubiquitär verbreitet. In eukaryotischen Zellen ist das Vorkommen auf die Mitochondrien beschränkt.
Molybdän wird zusammen mit dem Molybdän-Cofaktor (Mo-Co) bei Redoxreaktionen zur Elektronenübertragung verwendet (Ausnahme: Nitrogenase; hier ist Molybdän in einen Eisen-Schwefel-Cluster eingebaut). Molybdän kann hierbei verschiedene Oxidationsstufen (zwischen VI und IV) einnehmen. Aufgrund dieser Eigenschaft können molybdänhaltige Enzyme zwischen Ein- und Zwei-Elektronenübertragenden Systemen vermitteln. Molybdänkatalysierte Reaktionen kommen vor allem im Stickstoff- und Schwefelmetabolismus vor (Bsp.: Sulfit-Oxidase; Oxidation von Sulfit zu Sulfat).
Molybdän ist ein Übergangsmetall der 6. Gruppe (Nebengruppe) im Periodensystem. Zu der gleichen Gruppe gehört auch Wolfram; es liegt eine Periode unter Molybdän. Beide Elemente besitzen eine vergleichbare Elektronenkonfiguration und können daher analoge Reaktionen katalysieren. Die Beschränkung der Verwendung von Wolfram auf anaerobe Organismen liegt vermutlich in der Instabilität der Wolfram-Komplexe in Anwesenheit von Sauerstoff.
Sowohl Cytochrome als auch Hämproteine besitzen ein porphyrinkomplexiertes Eisenion. Cytochrome sind elektronenübertragende Enzyme; im Verlauf der Katalyse ändert sich hierbei die Oxidationsstufe des Eisenions. Beispielsweise sind bei den Cytochromen b und c der Atmungskette die Koordinationsstellen des Eisens vollständig besetzt. Eine Anlagerung eines weiteren Liganden ist nicht möglich (z.B. Cyanid oder Kohlenmonoxid; dies gilt jedoch nicht für Cytochrom a, dem terminalen Elektronenüberträger der Atmungskette). Häm-Proteine dienen meist dem Transport von Sauerstoff, wobei sich dieser an die Hämgruppe anlagert, es aber nicht zu einem Wechsel der Oxidationsstufe des Eisens kommt. In Hämoglobin ist eine Koordinationsstelle des Eisens noch zugänglich, welche für die Anlagerung eines Liganden benutzt werden kann. Kohlenmonoxid hat z.B. eine höhere Affinität als Sauerstoff, Bindung von Kohlenmonoxid verhindert somit die Sauerstoffbindung. Eine Oxidation des Häm-Eisens zu Fe3+ (z.B. durch Chlorate) inaktiviert Hämoglobin.
Häm, Sirohäm, Chlorophylle, Bakterienchlorophylle, Faktor 430. Den Cobalaminen liegt das Corrin-Ring-System zugrunde, welches zwar ebenfalls ein zyklischesTetrapyrrol, aber kein Porphyrin ist.
Phosphorylgruppen-Transfer, z.B. durch Kinasen.
Übertragung von Phyrophosphat, z.B. Bildung von Thiamindiphosphat.
Übertragung von Adenosin, z.B. bei der Bildung von SAM.
Übertragung von AMP auf Carboxylgruppen, z.B. bei der Beladung von tRNAs mit Aminosäuren.
Verwendung als Baustein z.B. bei der RNA-Synthese (Übertragung von AMP).
Die Übertragung der endständigen Phosphorylgruppe ist mit einer stark negativen Änderung der freien Enthalpie verbunden. Solche Eigenschaften gibt es zwar auch bei anderen gemischten Säureanhydriden (z.B. Carbamoylphosphat). Im Gegensatz zu ATP neigen diese aber in wässriger Lösung zur spontanen Hydrolyse. Die Hydrolyse von ATP ist „kinetisch gehemmt“; die Aktivierungsenergie kann ohne die Hilfe von Enzymen nicht überwunden werden. Auch andere Nucleotide zeichnen sich durch diese Eigenschaft aus und können daher zur Aktivierung anderer Substanzen verwendet werden.
Sulfat wird z.B. zur Bildung der schwefelhaltigen Aminosäuren Cystein und Methionin benötigt. Es erfolgt zunächst eine Konjugation mit AMP unter Bildung von Adenosinphosphosulfat (APS). Nach Phosphorylierung an der Ribose entsteht Phosphoadenosinphosphosulfat (PAPS). In dieser Form findet die Reduktion des Sulfats statt. PAPS dient als sulfatgruppenübertragendes Coenzym z.B. bei Biotransformationen, um die Wasserlöslichkeit von „Fremd-“ bzw. „Abfallstoffen“ zwecks verbesserter Ausscheidung zu erhöhen (Entgiftungsreaktion). Auch für die Bildung anderer sulfathaltiger Substanzen, z.B. Sulfolipide, ist PAPS notwendig.
UDP dient als Überträger von Zucker und Zuckerderivaten (Aminozucker, Uronsäuren). CDP überträgt Ethanolamin, Cholin, Phosphatidsäure und analoge Verbindungen im Phospholipidstoffwechsel.
Tetrahydrofolat (THF), S-Adenosylmethionin (SAM), Cobalamin. Bei methanogenen Bakterien wird zudem Coenzym M, Coenzym B (CoB, HS-HPT) und Tetrahydromethanopterin (H4MTP) verwendet.
S-Adenosylmethionin (SAM) entsteht durch Übertragung von Methionin auf ATP unter Abspaltung aller Phosphatgruppen. Die Methylgruppe von SAM ist über eine reaktive Sulfonium-Struktur gebunden. SAM ist der wichtigste Methylgruppen-Überträger innerhalb der Zellen. Methylierungen finden z.B. an der DNA oder an Phosphatidylethanolamin bei der Bildung von Phosphatidylcholin statt. Neben der Funktion als Methylgruppen-Überträger kann SAM von einigen Enzymen auch zur gezielten Erzeugung von Radikalen verwendet werden. Hierbei entsteht im Verlauf der Reaktion Methionin und ein 5'-Desoxyadenosyl-Radikal (vgl. Reaktionen von Coenzym B12). Solche Enzyme, zusammenfassend als SAM-Radikal-Enzyme (SAM-radical enzyms) bezeichnet, kommen z.B. im Syntheseweg von Biotin vor.
Die wichtigste Quelle für C1-Fragmente sind Serin und Glycin. Zudem werden beim Abbau vieler Verbindungen anfallende C1-Fragmente auf THF übertragen. THF ist zum „Auffangen“ solcher Fragmente besonders gut geeignet, da es die C1-Fragmente in unterschiedlichen Oxidationsstufen binden kann. Diese können dann ineinander überführt werden.
Biotin wird bei der Übertragung von Carboxylgruppen benötigt (Bsp. Pyruvat-Carboxylase: Bildung von 2-Oxalacetat aus Pyruvat und HCO3–, Acetyl-CoA-Carboxylase: Bildung von Malonyl-CoA aus Acetyl-CoA und HCO3–). Die Carboxylierungen verlaufen über eine Carboxybiotin-Zwischenstufe, zu deren Bildung ATP benötigt wird. Im Gegensatz hierzu kann die Decarboxylierung einer Verbindung mit einer Arbeitsleistung verbunden sein (z.B. Decarboxylierung von β-Ketosäuren unter gleichzeitigem Export von Na-Ionen. Biotin wird von Mikroorganismen (Bakterien, Hefen) und höheren Pflanzen gebildet. Für Tiere und den Menschen ist es essentiell („Vitamin H“).
Die Proteine Avidin bzw. Streptavidin binden Biotin mit sehr hoher Affinität. Da Biotin mit den jeweiligen Enzymen kovalent verbunden ist, kann eine Reinigung biotinhaltiger Enzyme mit Hilfe von immobilisiertem Avidin oder Streptavidin erfolgen (Affinitäts-Chromatographie). Die Elution von der Matrix erfolgt durch Kompetition mit freiem Biotin oder – aufgrund der hohen Affinität – unter denaturierenden Bedingungen.
Pyridoxalphosphat ist das zentrale Coenzym im Aminosäurestoffwechsel. Die Reaktionen beginnen zunächst mit der Bildung einer Schiff-Base aus dem Pyridoxalphosphat und der Aminogruppe der Aminosäure. Ab diesem Punkt gibt es unterschiedliche Reaktionswege. Es können Bindungen vom α- oder auch vom β-Kohlenstoffatom der gebundenen Aminosäure gelöst werden. Die Art der durchgeführten Reaktion hängt von den jeweiligen Enzymen ab. Diese richten die Schiff-Base den unterschiedlichen Anforderungen entsprechend aus.
Coenzym A (Acetyl-CoA) ist der wichtigste Überträger von Acetylgruppen. In den Zellen gibt es einen „Pool“ von Acetyl-CoA. Dieser Pool wird aus zahlreichen katabolen Stoffwechselwegen gespeist, etwa aus dem Abbau von Kohlenhydraten, einigen Aminosäuren und Fettsäuren. Ebenso wird sich bei der Synthese vieler Verbindungen aus diesem Pool bedient; beispielsweise bei der Bildung von Cholesterin oder Fettsäuren. Acetyl-CoA dient aber auch als Überträger anderer Carbonsäurereste, z.B. im Aminosäureabbau nach der oxidativen Decarboxylierung.
Die meisten Mikroorganismen, einschließlich pathogener Bakterien, sind zur Bildung der Cofaktoren in der Lage, welche für den Menschen essentiell sind. Diese Cofaktoren werden natürlich auch von den Mikroorganismen selbst benötigt. Somit bietet der Syntheseweg solcher Cofaktoren einen potentiellen Angriffspunkt für die Entwicklung von Antibiotika. Ein erfolgreiches Beispiel hierfür sind Sulfonamide, welche die Synthese von Folat inhibieren.
Reaktionen mit Cobalaminen und Faktor 430 sind die bisher einzig bekannten Beispiele in der Biologie, bei denen intermediär metallorganische Verbindungen gebildet werden.
