Coenzima A

Coenzima A (CoA, SHCoA, CoASH) es una coenzima, destaca por su papel en la síntesis y oxidación de ácidos grasos, y la oxidación de piruvato en el ciclo del ácido cítrico. Todos los genomas secuenciados hasta la fecha codifican enzimas que utilizan la coenzima A como sustrato, y alrededor del 4% de las enzimas celulares la utilizan (o un tioéster) como sustrato. En humanos, la biosíntesis de CoA requiere cisteína, pantotenato (vitamina B₅) y trifosfato de adenosina (ATP).

En su forma de acetilo, la coenzima A es una molécula muy versátil que cumple funciones metabólicas tanto en las vías anabólicas como catabólicas. Acetil-CoA se utiliza en la regulación postraduccional y la regulación alostérica de la piruvato deshidrogenasa y la carboxilasa para mantener y apoyar la partición de la síntesis y degradación del piruvato.

Descubrimiento de la estructura

Estructura de la coenzima A: 1: 3′-fosfoadenosina. 2: diphosphate, organophosphate anhydride. 3: ácido pantóico. 4: β-alanina. 5: cisteamina.

La coenzima A fue identificada por Fritz Lipmann en 1946, quien más tarde también le dio su nombre. Su estructura se determinó a principios de la década de 1950 en el Instituto Lister de Londres, junto con Lipmann y otros trabajadores de la Escuela de Medicina de Harvard y el Hospital General de Massachusetts. Lipmann inicialmente tenía la intención de estudiar la transferencia de acetilo en animales y, a partir de estos experimentos, notó un factor único que no estaba presente en los extractos de enzimas pero que era evidente en todos los órganos de los animales. Pudo aislar y purificar el factor del hígado de cerdo y descubrió que su función estaba relacionada con una coenzima activa en la acetilación de la colina. El trabajo con Beverly Guirard, Nathan Kaplan y otros determinaron que el ácido pantoténico era un componente central de la coenzima A. La coenzima se denominó coenzima A para representar la "activación del acetato". En 1953, Fritz Lipmann ganó el Premio Nobel de Fisiología o Medicina "por su descubrimiento de la coenzima A y su importancia para el metabolismo intermediario".

Biosíntesis

La coenzima A se sintetiza naturalmente a partir del pantotenato (vitamina B₅), que se encuentra en alimentos como la carne, las verduras, los cereales, las legumbres, los huevos y la leche. En los seres humanos y la mayoría de los organismos vivos, el pantotenato es una vitamina esencial que tiene una variedad de funciones. En algunas plantas y bacterias, incluida Escherichia coli, el pantotenato se puede sintetizar de novo y, por lo tanto, no se considera esencial. Estas bacterias sintetizan pantotenato a partir del aminoácido aspartato y un metabolito en la biosíntesis de valina.

En todos los organismos vivos, la coenzima A se sintetiza en un proceso de cinco pasos que requiere cuatro moléculas de ATP, pantotenato y cisteína (ver figura):

Details of the biosynthetic pathway of CoA synthesis from pantothenic acid.

1. Pantothenate (vitamina B₅) es fosforilado a 4 "fosfopantothenate por la enzima pantothenate kinase (PanK; CoaA; CoaX). Este es el paso comprometido en la biosíntesis de CoA y requiere ATP.
2. Una cisteína se añade a 4 "fosfopantothenate por la enzima fosfopantothenoylcysteine synthetase (PPCS; CoaB) para formar 4'-fospho-N-pantothenoylcysteine (PPC). Este paso se une a la hidrolisis ATP.
3. PPC es decarboxilado a 4′-fosphopantetheine por fosfopantothenoylcysteine decarboxylase (PPC-DC; CoaC)
4. 4′-fosfopantetheina es adenilada (o más apropiadamente, AMPylated) para formar dephospho-CoA por la enzima fosfopantetheine adenylyl transferase (COASY; PPAT; CoaD)
5. Finalmente, el dephospho-CoA es fosforilado para coenzima A por la enzima defosfocoenzima A kinase (COASY, DPCK; CoaE). Este paso final requiere ATP.

Las abreviaturas de la nomenclatura de enzimas entre paréntesis representan enzimas de mamíferos, otros eucariotas y procariotas, respectivamente. En los mamíferos, los pasos 4 y 5 están catalizados por una enzima bifuncional llamada COASY. Esta vía está regulada por la inhibición del producto. CoA es un inhibidor competitivo de la pantotenato quinasa, que normalmente se une al ATP. La coenzima A, tres ADP, un monofosfato y un difosfato se obtienen de la biosíntesis.

La coenzima A se puede sintetizar a través de rutas alternativas cuando el nivel de coenzima A intracelular se reduce y la vía de novo se ve afectada. En estas vías, la coenzima A debe provenir de una fuente externa, como los alimentos, para producir 4′-fosfopanteteína. Los pirofosfatos de ectonucleótidos (ENPP) degradan la coenzima A a 4′-fosfopanteteína, una molécula estable en los organismos. Las proteínas transportadoras de acilo (ACP) (como la ACP sintasa y la degradación de ACP) también se utilizan para producir 4′-fosfopanteteína. Esta vía permite que la 4′-fosfopanteteína se reponga en la célula y permite la conversión a coenzima A a través de las enzimas PPAT y PPCK.

Producción comercial

La coenzima A se produce comercialmente a través de la extracción de la levadura; sin embargo, este es un proceso ineficiente (produce aproximadamente 25 mg/kg) que resulta en un producto costoso. Se han investigado varias formas de producir CoA de forma sintética o semisintética, aunque ninguna funciona actualmente a escala industrial.

Función

Síntesis de ácidos grasos

Dado que la coenzima A es, en términos químicos, un tiol, puede reaccionar con ácidos carboxílicos para formar tioésteres, funcionando así como portador de grupos acilo. Ayuda en la transferencia de ácidos grasos desde el citoplasma a las mitocondrias. Una molécula de coenzima A que lleva un grupo acilo también se denomina acil-CoA. Cuando no está unido a un grupo acilo, generalmente se lo denomina 'CoASH' o 'HSCoA'. Este proceso facilita la producción de ácidos grasos en las células, que son esenciales en la estructura de la membrana celular.

La coenzima A también es la fuente del grupo fosfopanteteína que se agrega como grupo prostético a proteínas como la proteína transportadora de acilo y la formiltetrahidrofolato deshidrogenasa.

Algunas de las fuentes que CoA proviene y utiliza en la célula.

Producción de energía

La coenzima A es una de las cinco coenzimas cruciales que son necesarias en el mecanismo de reacción del ciclo del ácido cítrico. Su forma de acetil-coenzima A es la entrada principal en el ciclo del ácido cítrico y se obtiene de la glucólisis, el metabolismo de los aminoácidos y la beta oxidación de ácidos grasos. Este proceso es la ruta catabólica principal del cuerpo y es esencial para descomponer los componentes básicos de la célula, como los carbohidratos, los aminoácidos y los lípidos.

Regulación

Cuando hay exceso de glucosa, la coenzima A se utiliza en el citosol para la síntesis de ácidos grasos. Este proceso se implementa mediante la regulación de la acetil-CoA carboxilasa, que cataliza el paso comprometido en la síntesis de ácidos grasos. La insulina estimula la acetil-CoA carboxilasa, mientras que la epinefrina y el glucagón inhiben su actividad.

Durante la inanición celular, la coenzima A se sintetiza y transporta los ácidos grasos en el citosol a la mitocondria. Aquí, se genera acetil-CoA para la oxidación y la producción de energía. En el ciclo del ácido cítrico, la coenzima A actúa como regulador alostérico en la estimulación de la enzima piruvato deshidrogenasa.

Una nueva investigación ha descubierto que la proteína CoAlation desempeña un papel importante en la regulación de la respuesta al estrés oxidativo. Protein CoAlation juega un papel similar a la S-glutationilación en la célula y previene la oxidación irreversible del grupo tiol en la cisteína en la superficie de las proteínas celulares, mientras que también regula directamente la actividad enzimática en respuesta al estrés oxidativo o metabólico.

Uso en investigación biológica

La coenzima A está disponible en varios proveedores de productos químicos como ácido libre y sales de litio o sodio. El ácido libre de la coenzima A es detectablemente inestable, con alrededor del 5 % de degradación observada después de 6 meses cuando se almacena a -20 °C, y una degradación casi completa después de 1 mes a 37 °C. Las sales de litio y sodio de CoA son más estables y se observa una degradación insignificante durante varios meses a diversas temperaturas. Las soluciones acuosas de coenzima A son inestables por encima de pH 8, con un 31 % de actividad perdida después de 24 horas a 25 °C y pH 8. Las soluciones madre de CoA son relativamente estables cuando se congelan a pH 2–6. La ruta principal de pérdida de actividad de CoA es probablemente la oxidación del aire de CoA a disulfuros de CoA. Los disulfuros mixtos de CoA, como CoA-S–S-glutatión, son contaminantes comúnmente observados en las preparaciones comerciales de CoA. La CoA libre se puede regenerar a partir de disulfuro de CoA y disulfuros de CoA mixtos con agentes reductores como ditiotreitol o 2-mercaptoetanol.

Lista no exhaustiva de grupos acilo activados por coenzima A

• Acetyl-CoA
• acyl-CoA (forma activada de todos los ácidos grasos; sólo los ésteres de CoA son sustratos para reacciones importantes como la síntesis mono-, di- y triacylglycerol, carnitina palmitoil transferase y esterificación de colesterol)
  • Propionyl-CoA
  • Butyryl-CoA
  • Myristoyl-CoA
  • Crotonyl-CoA
• Acetoacetyl-CoA
• Coumaroyl-CoA (utilizado en biosíntesis flavonoides y estilbenoide)
• Benzoyl-CoA
• Phenylacetyl-CoA
• Acyl derivado de ácidos dicarboxílicos
  • Malonyl-CoA (importante en elongación en cadena en biosíntesis de ácidos grasos y biosíntesis de poliketide)
  • Succinyl-CoA (utilizado en la biosíntesis heme)
  • Hydroxymethylglutaryl-CoA (utilizado en la biosíntesis isoprenoide)
  • Pimelyl-CoA (utilizado en biosíntesis de biotina)