Cofacteurs
Vue d'ensemble

On peut classer les cofacteurs en :

• cofacteurs organiques,
• ions et clusters métalliques.

Remarque : les hydrolases se distinguent de la plupart des enzymes car elles agissent en l'absence de tout facteur non protéique.

Cofacteurs organiques

Les cofacteurs organiques sont divisés en deux groupes principaux, selon la nature de leur association avec l'enzyme.

Malheureusement, les cofacteurs organiques sont quelquefois appelés coenzymes au sens large.

Coenzyme/cosubstrat

Les coenzymes sont des molécules organiques non protéiques qui se lient de manière temporaire à l'enzyme et aident à transférer des groupes chimiques pendant la réaction catalysée.

1. Les coenzymes sont souvent dérivées de vitamines ou de leurs précurseurs.

• Elles se détachent après la réaction pour être réutilisées.
• Elles assistent les enzymes à catalyser des réactions biochimiques, généralement en transférant des groupes chimiques comme des électrons, des protons (H⁺) ou des groupes fonctionnels comme des méthyles ($\ce{-CH3}$) ou des acyles ($\ce{R-C(=O)-}$). , quiun

2. On peut citer :

• NAD (nicotinamide adénine dinucléotide),
• FAD (flavine adénine dinucléotide),
• la coenzyme A (CoA)
• la biotine (vitamine b₇)…

Remarque : le terme cosubstrat est souvent considéré comme synonyme de coenzyme au sens strict.

L'ATP, qui n'est pas une coenzyme au sens classique, peut, dans certains cas, être qualifié de coenzyme quand il se lie temporairement à l'enzyme pour transférer un groupe phosphate, puis se détache sous forme d'ADP (adénosine diphosphate) ou AMP (adénosine monophosphate), après avoir libéré de l'énergie.

Groupes prosthétiques

Les groupes prosthétiques sont un type particulier de cofacteur qui est fortement lié et de manière stable à l'enzyme, souvent de manière covalente.

Il est généralement indispensable pour l'activité de l'enzyme et reste attaché à celle-ci de manière permanente, i.e. ne se détache pas après la réaction.

Les groupes prosthétiques sont souvent des molécules organiques complexes ou des dérivés de vitamines, comme :

• les hèmes,
• FAD (flavine adénine dinucléotide), comme dans la succinate déshydrogénase du cycle de Krebs à laquelle elle est solidement attachée.

Remarque : FAD peut être considérée comme une coenzyme et quelquefois comme un groupe prosthétique.

Cofacteurs métalliques

Les cofacteurs métalliques peuvent être

• des ions,
• des clusters métalliques.

Ions

Ces cations métalliques uniques ne sont pas associés à un groupement complexe de plusieurs atomes métalliques, i.e. clusters métalliques.

On peut citer :

1. le zinc, i.e. Zn⁺⁺, un des ions métalliques les plus fréquents utilisés comme cofacteurs, est impliqué dans de nombreuses enzymes comme dans :

• l'anhydrase carbonique (EC 4.2.1.1), qui aide à maintenir l’homéostasie acido-basique, à réguler le pH et l’équilibre hydrique chez les bactéries, les plantes et les animaux,

$\ce{H2O + CO2}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{HCO3- + H+}$

• les ADN polymérases (EC 2.7.7.7) qui utilisent des ions zinc pour maintenir leur structure et catalyser l'ajout de nucléotides lors de la réplication de l'ADN,

$\ce{DNA_n + 2'-deoxyribonucleoside 5'-triphosphate}$ $\longrightarrow$ $\ce{DNA(n+1) + diphosphate}$

• d'autres métalloprotéines…

2. le cuivre, i.e. Cu⁺⁺ comme dans :

• le complexe IV de la chaîne respiratoire, i.e. Cu_A et Cu_B,
• la tyrosinase impliquée dans la production de mélanine à partir de la tyrosine…

3. le manganèse, i.e. Mn⁺⁺, comme dans les phosphatases et les hydrolases…

4. le magnésium, i.e. Mg⁺⁺, comme dans les ATPases, l'ARN polymérase et les kinases…

5. le calcium, i.e.Ca⁺⁺, comme dans la calmoduline et certaines protéases…

6. le nickel, i.e.Ni⁺⁺, comme dans certaines hydrogénases ou l'uréase (3.5.1.5).

Certains auteurs limitent le terme de cofacteur aux ions inorganiques.

Clusters métalliques

Les clusters métalliques sont définis comme des substances contenant un noyau métallique dont les atomes sont liés entre eux par des liaisons métalliques, souvent accompagnés d'autres éléments comme des atomes de soufre, de carbone, ou d'azote, pour former une structure stable.

Ils participent le plus souvent aux réactions d'oxydoréduction et de transfert d'électrons, en contribuant à la stabilité de la protéine et/ou en intervenant dans l'activation de molécules d'eau.

1. Les clusters fer-soufre [Fe-S], très courants dans les oxydoréductases, jouent un rôle clé dans le transfert d'électrons.

• Les clusters [Fe-S], à plusieurs configurations, i.e. [2Fe-2S], [4Fe-4S], [3Fe-4S]…, sont impliqués dans la chaîne de transport des électrons.
• Les ferrédoxines qui contiennent des clusters [2Fe-2S], participent à des réactions redox dans des processus comme la photosynthèse et le cycle de l'azote.

Ce tableau explique les différences entre les ferrédoxines et les protéines de type Rieske (ISP ou Iron Sulfur Protein).

Caractéristiques	Ferrédoxines	Protéines de type Rieske (ISP ou Iron Sulfur Protein)
Cluster [Fe-S]	[2Fe-2S] ou [4Fe-4S]	[2Fe-2S]
Coordination Fe	4 cystéines	2 cystéines et 2 histidines
Structure du site actif	Classique, ancré uniquement par des thiols (–SH)	Structure plus complexe avec des groupes imidazole
Potentiel redox	Très variable (souvent plus négatif, -0,4 à -0,1 V)	Relativement élevé (environ +0,2 à +0,3 V)
Fonction principale	Transfert d’électrons photosynthèse, cycle de l'azote.…	Transfert d’électrons (complexe III de la chaîne respiratoire)
Présence dans les organismes	Chloroplastes Mitochondries	Mitochondries Certaines bactéries
Mobilité du centre Fe-S	Fixe dans la protéine	Domaine flexible dans la protéine
Exemple d’enzyme associée	Photosystème I (PSI) Nitrogénase Stéroïdogenèse Biosynthèse [Fe-S]	Complexe III Cytochrome b6f

Remarque : d'autres clusters [Fe-S] peuvent posséder un nombre différent d'atomes ( Wikipedia).

2. Les clusters cuivre-soufre [Cu-S] peuvent intervenir dans certaines enzymes, comme la cytochrome c oxydase ou complexe IV, qui est impliquée dans la chaîne respiratoire.

3. D'autres clusters autres métaux sont formés par des atomes de zinc (Zn), manganèse (Mn), nickel (Ni), molybdène (Mo)… 

• Ce sont le plus souvent des enzymes spécialisées comme des enzymes de dégradation des molécules organiques comme les alcools déshydrogénases ou certaines acyl-CoA déshydrogénases ou les enzymes impliquées dans la photosynthèse, comme le Mn dans l'oxydation de l'eau par le complexe oxygène-évolutif (OEC).
• L'un des exemples les plus connus de cluster métallique de la nitrogénase, (EC 1.8.6.1 ou 1.19.6.1), enzyme bactérienne qui fixe l'azote atmosphérique.

Cette enzyme contient, entre autres, un cluster fer-molybdène [3Fe-Mo-3S] qui catalyse la conversion de l'azote moléculaire (N₂) en ammoniac (NH₃), un processus clé pour l'agriculture et la fixation biologique de l'azote.

Coenzymes