CHAPITRE 1 :

COENZYMES ET COFACTEURS

CHAPITRE 1 : COENZYMES ET COFACTEURS

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I- Structure et fonctions

Certaines enzymes réagissent avec leurs substrats seulement quand elles sont combinées

à autres molécules appelées cofacteurs. Les cofacteurs peuvent être classés en deux catégories :

✓ Molécules simples : cofacteurs métalliques.

✓ Molécules organiques : coenzymes.

Les cofacteurs métalliques : englobent l’ensemble des substances chimiques (ions

métalliques) qui interviennent dans les réactions enzymatiques et dont l’absence provoque une

inactivation totale ou partielle de l’enzyme. Exemples : le fer est indispensable pour l’activité

de la catalase (Fe2+), le magnésium est nécessaire pour l’activation des kinases (Mg2+) et le zinc

est indispensable à l’activité de l’anhydrase carbonique (Zn2+).

Les coenzymes : sont des molécules organiques, simples, non protéiques, thermostables,

indispensables et de faible masse moléculaire. Qui agissent à faible concentration et doivent,

comme les enzymes, être régénérés à la fin de la réaction catalysée.

• Un coenzyme peut s’associer à plusieurs enzymes et de ce fait il agit sur plusieurs

substrats.

• Les coenzymes sont des molécules biologiques (la synthèse naturelle ne peut être faite

que par des cellules vivantes).

• Les coenzymes sont introduits dans les organismes des mammifères par l'alimentation

sous forme de vitamines ou de facteurs de croissance (presque toutes les vitamines

hydrosolubles et liposolubles connues sont impliquées dans la structure des coenzymes

sauf la vitamine C et la vitamine A).

• Les coenzymes peuvent être libres ou associés à l’enzyme d’une manière irréversible :

Lorsqu’il est libre, le coenzyme (Co) s’associe au moment de la catalyse à la partie

protéique appelée ‘’apoenzyme’’ (E) pour former le complexe fonctionnel apoenzyme-

coenzyme (E-Co) appelé Holoenzyme. Dans ce cas ce coenzyme prend le nom de “ coenzyme

vrai ” ou coenzyme co-substrat. Ces coenzymes sont liés à l’enzyme par des liaisons

électrostatiques faibles, l’ensemble des liaisons est renouvelé à chaque réaction. À la fin de la

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réaction catalysée les coenzymes libres se dissocient de l’enzyme et doivent être régénérés par

autres réactions auxiliaires. Exemples : NAD+/NADP+

NB :la concentration des coenzymes libres doit être égale à celle du substrat au cours de la réaction (concentration stœchiométrique).

Coenzymes libres

Cependant, certaines enzymes comportent dans leurs structures des coenzymes. Ces

derniers sont liés à l’apoenzyme par des liaisons covalentes. Dans ce cas, le coenzyme lié est

appelé groupement prosthétique. Les coenzymes liés ne se dissocient pas de l’enzyme, ils

doivent être régénérés à la fin de chaque réaction catalysée. Exemple : le pyridoxal phosphate

et transaminases.

NB : la concentration des coenzymes lié doit être égale à celle de l’enzyme au cours de la réaction (concentration catalytique)

• Les coenzymes ont des fonctions d'accepteurs et de transporteurs de radicaux libérés au

cours de la catalyse. Ils fixent et transportent :

✓ Des hydrogènes et des électrons dans les réactions d'oxydo-réduction.

✓ Des radicaux autres que l'hydrogène et les électrons dans les autres

réactions catalytiques.

• Les enzymes nécessitant des coenzymes catalysent des réactions :

✓ D’oxydo-réduction : oxydo-reductases EC1

✓ De transfert de groupement : transférases EC2

✓ De formation de liaisons covalentes : ligases EC6

✓ D’isomérisation : isomérases EC5

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II- Classification des coenzymes

II-1- Les coenzymes d’oxydo-réduction

Un grand nombre de réactions biochimiques font intervenir un transfert d’électrons entre

un réducteur et un oxydant. Ces réactions sont catalysées par des oxydo-réductases, des

enzymes qui utilisent le plus souvent des coenzymes d’oxydo-réduction pour transformer les

substrats.

II-1-1- Les coenzymes flaviniques

II-1-1-1- Définition

Désigne l’ensemble des dérivés de la riboflavine (vitamine B2) (FAD et FMN). Il s’agit

des groupements prosthétiques, transporteurs d’Hydrogènes fortement attachés aux

flavoprotéines par des liaisons covalentes.

Riboflavine, flavine mononucléotide et flavine adénine dinucléotide

II-1-1-2- Biosynthèse

La synthèse de ces coenzymes peut être faite dans nos cellules à partir de la riboflavine

(vitamine B2) et l’ATP. En effet, la riboflavine est synthétisée par les plantes et les bactéries et

donc elle est présente dans la plupart des aliments. Suite à une prise alimentaire la riboflavine

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est absorbée dans l’intestin grêle et métabolisée par les entérocytes ou elle est phosphorylée en

flavine mononucléotide (FMN). L’FMN rejoint le foie, une partie sera stockée sous forme de

FMN et une partie subit une transformation en flavine adénine dinucléotide (FAD) suite à

l’ajout d’un nucléotide phosphate.

II-1-1-3- Réduction des coenzymes flaviniques

La réduction complète des deux coenzymes (FAD et FMN) fait intervenir 2 électrons

(+2 H+) qui se fixent au niveau des azotes 1 et 5 du noyau isoalloxazine. Pour obtenir : FMNH2

et de FADH2.

Exemple : On observe le transfert de 2 électrons (+ 2 H+) par exemple au cours de la formation

des doubles liaisons >C=C< (succinate déshydrogénase (FAD)/ cycle de kreps)

Les coenzymes flaviniques peuvent également accepter les électrons un à un, grâce à la

stabilité des formes radicalaires demi-réduites connues sous le nom de forme semi-quinone.

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On rencontre les formes semi-quinone au niveau de la chaîne respiratoire où les coenzymes

flaviniques servent d’intermédiaires entre les transporteurs à deux électrons (NADH+) et les

transporteurs à un électron (cytochromes).

NB : Les coenzymes flaviniques réduits sont auto-oxydables ; ils se réoxydent spontanément

par le transfert de deux électrons sur une molécule de dioxygène pour donner le peroxyde

d’hydrogène H2O2.

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II-1-2- Les coenzymes pyrimidiques

II-1-2-1- Définition

Désigne l’ensemble des transporteurs d’hydrogènes dérivés de la niacine (vitamine B3 ou

PP). Les coenzymes pyrimidiques participent à de nombreuses réactions d’oxydoréduction,

notamment dans :

✓ L’oxydation des alcools primaire et secondaire

✓ L’oxydation des aldéhydes

✓ La transformation des amines primaires en cétones

II-1-2-2- Synthèse et structure

La biosynthèse des coenzymes pyrimidiques peut être faite à partir d’un acide aminé

(Tryptophane), mais cet acide aminé est indispensable. Souvent, la synthèse de ces molécules

fait appel au nicotinamide, ou vitamine PP. Cette vitamine (représentée par l’acide nicotinique

ou par son amide correspondant) est transformée par les cellules sanguines en coenzymes

pyrimidiques (NAD+ et NADP+).

• Le NAD+, ou nicotinamide adénine dinucléotide, est formé de deux nucléotides, le

nicotinamide mononucléotide (NMN) et l’adénosine monophosphate (AMP) réunis par

une liaison anhydride.

• Le NADP+ a la même structure que le NAD+ avec la présence d'un

groupement phosphate sur le second atome de carbone du β-D-

ribofurannose du résidu d'adénosine.

• Le NAD+ est phosphorylé en NADP+ par la NAD+ kinase tandis que le groupement

phosphate du NADP+ est clivé pour redonner du NAD+ par la NADP+ phosphatase.

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• Le signe (+) des abréviations NAD+ et NADP+ des formes oxydées rappelle la

présence d’une charge positive portée par le cycle pyridinique du nicotinamide

(azote quaternaire en liaison glycosidique avec le ribose du NMN).

• Les coenzymes pyrimidiques ne sont jamais stockés dans l’organisme, ils

constituent des cosubstrats (coenzymes libres sauf pour le cas de NAD+ pour le

glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase).

II-1-2-3- caractéristiques

Les coenzymes nicotiniques, NAD+ et NADP+ passent alternativement de l’état oxydé

à l’état réduit en faisant la navette d’une enzyme à l’autre. Pour cette raison, on les qualifie de

coenzymes mobiles. Une fois réduits au niveau d’une enzyme, ils s’en détachent et sont

réoxydés sur une enzyme catalysant une réaction différente. Par exemple, dans une cellule

musculaire et au cours de la glycolyse en anaérobie, le NAD+ réduit en NADHH+ au niveau de

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la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase pourra être réoxydé au niveau de lactate

déshydrogénase.

II-1-3- LES COENZYMES QUININIQUES (Ubiquinone ou coenzyme Q10)

II-1-3-1- Structure

L’ubiquinone 50 ou coenzyme Q10 est un coenzyme transporteur d’Hydrogène qui

présente la particularité d’être liposoluble. Cette propriété est due à la présence d’une une

longue chaîne hydrophobe constituée de 50 atomes de Carbone (unités de 5 carbones appelées

isoprènes répétée 10 fois). À l’extrémité de cette chaîne, un noyau aromatique (quinone)

représente la partie hydrophile du coenzyme. Ce noyau est substitué par deux fonctions cétone

en para, la chaîne poly-isoprénique, 2 radicaux méthoxy- et un méthyle.

Ubiquinone ou coenzyme Q10

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II-1-3-2- Biosynthèse

Chez les eucaryotes, la biosynthèse de l’ubiquinone se fait sans aucun besoin aux

vitamines (une coenzyme sécrétée de façon endogène). La biosynthèse se fait à partir de certains

métabolites synthétisés dans le cytosol et utilisés dans d’autres voies de biosynthèse comme

l’acide para-hydroxybenzoïque (pHB), farnésylpyrophosphate (FPP) et

l’isopenténylpyrophosphate (IPP). L’ensemble des protéines intervenant dans la voie de

biosynthèse de l’ubiquinone sont localisées dans la membrane interne mitochondriale.

Cependant, certaines études montrent que l’ubiquinone peut être produite de novo également

dans le système réticulum endoplasmique - appareil de Golgi.

II-1-3-3- localisation

Le coenzyme Q est parfaitement soluble dans les bicouches lipidiques mais il forme des

agrégats micellaires lorsqu’il se trouve en milieu aqueux (insoluble dans l’eau). Chez les

procaryotes, l’ubiquinone est présente dans la membrane plasmique. Chez S. cerevisiæ, on la

retrouve principalement dans la membrane interne des mitochondries. Chez les plantes,

l’ubiquinone est présente en majorité dans les mitochondries et on en trouve des traces dans la

plupart des membranes excepté au sein des chloroplastes. Chez les mammifères, elle est

présente dans les membranes biologiques de tous les tissus ainsi que dans le sang, au sein de

lipoprotéines.

II-1-3-4- Rôles

Le noyau quinone et la longue chaîne hydrophobe du coenzyme Q lui confèrent des

propriétés rédox et acido-basiques qui lui permettent d’agir comme transporteur d’électrons et

de protons mais aussi comme un antioxydant. Le coenzyme Q est un élément essentiel de la

chaîne respiratoire mitochondriale. Une fois réduit par le complexe I ou le complexe II, il va

transmettre ses électrons au complexe III, ce qui permettra de réduire le cytochrome c. Le

cytochrome C va lui-même transférer ses électrons au complexe IV, ce qui aboutit à la réduction

à quatre électrons du dioxygène moléculaire O2, l’accepteur d’électrons final, en eau H2O.

L’ensemble de ces réactions va permettre de générer un gradient de protons entre l’espace

intermembranaire et la matrice de la mitochondrie. Le flux de protons résultant pour rétablir

l’équilibre permet à l’ATP synthase de fonctionner et de produire l’ATP.

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II-1-4- les métalloporphyrines

Ce sont des macromolécules organiques aromatiques qui constituent de véritables groupements

prosthétiques à leur apoenzyme. Les métalloporphyrines résultent de l'union de la porphyrine à

un métal de transition (Co, Fe, Mg....) ce qui confère à la molécule des capacités d’oxydo-

réduction.

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II-1-4-1- CYTOCHROMES

• Les cytochromes sont des chromoprotéines présentes dans toutes les cellules au niveau de

dans la membrane interne des mitochondries, la membrane thylakoïde des chloroplastes,

et dans le cytoplasme.

• Ils sont constitués d’un groupement prosthétique ferroprotoporphyrinique (l'hème) attaché

à l’apoenzyme par des liaisons covalentes.

• Il existe différents types de cytochromes (Seules les apoenzymes sont différentes) .

• Ils sont impliqués dans le transport séquentiel des électrons de la chaîne respiratoire et

de la photosynthèse grâce au changement de valence du fer (du fer ferrique au fer

ferreux).

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II-2- Les coenzymes de transport des radicaux monocarbones

Les radicaux monocarbonés susceptibles d’être transportés par des coenzymes

spécifiques sont : CO2, -CH3, -CHO, -CH2OH.

II-2-1- Coenzyme de transport de CO2

II-2-1-1-La biotine ou vitamine H

✓ La biotine est un coenzyme formé de deux hétérocycles. Qui joue le rôle d’un cofacteur

indispensable à plusieurs carboxylases (coenzyme de transport de CO2).

✓ Ce coenzyme s’associe à l'apoenzyme par une liaison amide covalente établie entre la

fonction acide de la chaîne latérale de la biotine (COOH) et la fonction amine (NH2)

des résidus de la lysine de l'apoenzyme.

✓ La biotine est indispensable pour l’Homme. Toutefois, elle est synthétisée par les

bactéries intestinales.

Coenzyme de la pyruvate carboxylase

(métabolisme des glucides).

Coenzyme de l'Acétyl-CoA carboxylase (synthèse

des acides gras).

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II-2-1-2-Vitamines K ou phylloquinones

✓ Vitamines liposolubles à noyau naphtoquinone.

✓ Considérées comme des nutriments indispensables.

✓ Cette classe de vitamines est abondante dans l’alimentation végétale ou animale.

✓ Les besoins nutritionnels en vitamines K sont très faibles.

✓ Elles ont le rôle de transporteur d’hydrogènes ou d’électrons comme l’ubiquinone ou

coenzyme Q.

✓ Ces vitamines entrent dans la synthèse des coenzymes des carboxylases. Ces enzymes

réalisent, au cours de post-traduction, des carboxylations en formant des résidus

carboxy-glutamiques, utiles à l’activation des protéines et des facteurs impliqués dans

la coagulation du sang.

II-2-2- Coenzymes de transport des radicaux monocarbonés autres que le CO2

II-2-2-1- S-adénosylméthionine

Un coenzyme, dérive de la méthionine (acide aminé indispensable), C'est la forme

active de transport et de fixation des radicaux méthyles (-CH3) sur : les acides nucléiques, les

protéines, les colamines et le nicotinamide.

II-2-2-3- L'acide tétrahydrofolique

Un coenzyme dérivé de l'acide folique, ou vitamine B9, qui intervient dans un grand

nombre de réactions biochimiques, notamment dans le métabolisme des acides aminés et

des acides nucléiques (en particulier des purines). Il permet le transfert des radicaux

méthyles et des groupements formyl.

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II-3- Coenzymes de transport des radicaux a deux ou plusieurs

carbones

Il s'agit des coenzymes chargés de transporter les radicaux acyles, aldéhydes et carboxyles.

II-3-1-Thiamine pyrophosphate (TPP)

o Un coenzyme dérive de la thiamine (vitamine B1), Il comprend un noyau pyrimidique et

un noyau imidazole.

o Il constitue un groupement prosthétique aux apoprotéines.

o Il intervient particulièrement dans la décarboxylation oxydative des acides α-cétoniques

(le pyruvate et l'α-cétoglutarate).

o La thiamine pyrophosphate intervient comme coenzyme accepteur des radicaux dans les

réactions de transcétolation (Voie des pentoses phosphates et cycle de Calvin). Dans ce

cas le radical -CO-CH2OH est transporté sur le ribose 5-P.

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II-3-2-Acide lipoïque

L'acide lipoïque est un acide gras constitué de 8 atomes de carbone dont un pont disulfure

est formé entre les carbones 6 et 8. Ce coenzyme est fortement lié à l’apoenzyme et

l’holoenzyme formée suite à sa fixation prend le nom de lipoamide. Il sert d'accepteur de

radicaux alcyles cédés par la thiamine pyrophosphate.

II-3-3- coenzyme A ou HSCoA

Est un coenzyme de transfert des groupements acyles intervenantdans de très

nombreuses voies métaboliques (cycle de Krebs et bêta-oxydation). Il résulte de l'union de

l'adénosine 5'-diphosphate, l’acide pantothénique (facteur vitaminique non synthétisé par les

animaux) et le mercaptoéthylamine.

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II-4- Les coenzymes des aminotransférases

II-4- 1- Le pyridoxal phosphate

Le pyridoxal phosphate (PLP) est un coenzyme d'une importance capitale dans le

métabolisme des acides aminés et des sphingosines. Il est commun à toutes les

aminotransférases. Il intervient dans les réactions de transamination aussi bien de dégradation

que de synthèse des acides aminés.

C'est un groupement prosthétique relié à l’apoenzyme par des liaisons covalentes. Sa

structure dérive de la pyridoxine ou vitamine B6, elle comprend un noyau pyridine (cycle

aromatique avec un atome d’azote, substitué par un méthyle, une fonction phénol, une fonction

aldéhyde (partie active du coenzyme)) et une fonction alcool primaire estérifiée par un

phosphate. Le phosphate est lié par des liaisons électrovalentes avec les radicaux des acides

aminés de l’enzyme.