Дегидрогеназа
Дегидрогеназа , — это фермент принадлежащий к группе оксидоредуктаз , который окисляет субстрат путем восстановления акцептора электронов, обычно НАД. + /НАДП + [1] или флавиновый кофермент, такой как FAD или FMN . Как и все катализаторы, они катализируют как обратные, так и прямые реакции, и в ряде случаев это имеет физиологическое значение: например, алкогольдегидрогеназа катализирует окисление этанола в ацетальдегид у животных, а у дрожжей она катализирует образование этанола из ацетальдегида.
Классификация ИУБМБ
[ редактировать ]Оксидоредуктазы, ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, относятся к классу EC 1 классификации реакций, катализируемых ферментами IUBMB. [2] Любую из них можно назвать дегидрогеназами , особенно те, в которых НАД + является акцептором электронов (окислителем), но редуктаза используется и тогда, когда физиологический упор делается на восстановление субстрата, а оксидаза используется только О 2 . тогда, когда акцептором электронов является [3] Систематическое название оксидоредуктазы — «донорно-акцепторная оксидоредуктаза», но, если возможно, ее удобнее называть «донорной дегидрогеназой».
Реакции катализируются
[ редактировать ]
Дегидрогеназы окисляют субстрат, передавая водород акцептору электронов, обычными акцепторами электронов являются НАД. + или ФАД. Это можно рассматривать как окисление субстрата, при котором субстрат либо теряет атомы водорода, либо приобретает атом кислорода (из воды). [4] Название «дегидрогеназа» основано на идее, что она способствует удалению (де-) водорода (-водород-) и является ферментом (-азой). Реакции дегидрогеназы чаще всего протекают в двух формах: перенос гидрида и высвобождение протона (часто с водой в качестве второго реагента) и перенос двух атомов водорода.
Перенос гидрида и высвобождение протона
[ редактировать ]Иногда реакция, катализируемая дегидрогеназой, будет выглядеть так: AH + B. + ↔ А + + BH при гидрида . переносе
A представляет собой субстрат, который будет окисляться, а B — акцептор гидрида. Обратите внимание, что когда гидрид переносится от А к В, А приобретает положительный заряд; это связано с тем, что фермент отнял два электрона у субстрата, чтобы восстановить акцептор до BH.
Результатом реакции, катализируемой дегидрогеназой, не всегда является приобретение положительного заряда. Иногда субстрат теряет протон. Это может привести к тому, что на подложке останутся свободные электроны, которые перейдут в двойную связь. Это часто происходит, когда субстратом является спирт; когда протон кислорода уходит, свободные электроны кислорода будут использоваться для создания двойной связи, как видно на примере окисления этанола в ацетальдегид, осуществляемого алкогольдегидрогеназой на изображении справа. [2]
Другая возможность состоит в том, что молекула воды вступит в реакцию, внося гидроксид-ион в субстрат и протон в окружающую среду. Конечным результатом на подложке является добавление одного атома кислорода. Это видно, например, при окислении ацетальдегида до уксусной кислоты ацетальдегиддегидрогеназой , что является этапом метаболизма этанола и производства уксуса.
Перенос двух атомов водорода
[ редактировать ]
В приведенном выше случае дегидрогеназа перенесла гидрид, высвобождая протон H. + , но дегидрогеназы также могут переносить два водорода, используя ФАД в качестве акцептора электронов. Это можно было бы изобразить как AH 2 + B ↔ A + BH 2 .Двойная связь обычно образуется между двумя атомами, от которых были взяты атомы водорода, как в случае с сукцинатдегидрогеназой . Два водорода были перенесены на носитель или другой продукт вместе со своими электронами.
Определение дегидрогеназной реакции
[ редактировать ]Различие между подклассами оксидоредуктаз, катализирующих реакции окисления, заключается в их акцепторах электронов. [5]
Дегидрогеназу и оксидазу легко различить, если принять во внимание акцептор электронов. Оксидаза также удаляет электроны с субстрата, но использует только кислород в качестве акцептора электронов. Одна из таких реакций: AH 2 + O 2 ↔ A + H 2 O 2 .
Иногда оксидазная реакция будет выглядеть так: 4A + 4H. + + О 2 ↔ 4А + + 2H 2 O. В этом случае фермент отбирает у субстрата электроны и с помощью свободных протонов восстанавливает кислород, оставляя субстрат с положительным зарядом. Продуктом является вода, а не перекись водорода, как показано выше. Примером оксидазы, которая функционирует таким образом, является комплекс IV в цепи переноса электронов ( ETC ). [6]
Обратите внимание, что оксидазы обычно переносят эквивалент диводорода (H 2 ), а акцептором является дикислород. Точно так же пероксидаза (другой подкласс оксидоредуктаз) будет использовать в качестве акцептора электронов пероксид (H 2 O 2 ), а не кислород. [2]
Акцепторы электронов
[ редактировать ]
Ферменты дегидрогеназы переносят электроны от субстрата к переносчику электронов; какой носитель используется, зависит от протекающей реакции. Обычными акцепторами электронов, используемыми в этом подклассе, являются НАД. + , ФАД и НАДФ + . Носители электронов в этом процессе восстанавливаются и считаются окислителями подложки. Переносчиками электронов являются коферменты , которые часто называют «окислительно-восстановительными кофакторами». [5]
ОНИ +
[ редактировать ]ОНИ + , или никотинамидадениндинуклеотид, представляет собой динуклеотид, содержащий два нуклеотида. Один из содержащихся в нем нуклеотидов представляет собой адениновую группу, а другой — никотинамидную. Чтобы восстановить эту молекулу, к 6-углеродному кольцу никотинамида необходимо добавить водород и два электрона; один электрон добавляется к углероду напротив положительно заряженного азота, вызывая перестановку связей внутри кольца, чтобы дать азоту больше электронов; в результате он потеряет свой положительный заряд. Другой электрон «украдён» у дополнительного водорода, в результате чего ион водорода остаётся в растворе. [5] [7]
Снижение НАД + : ОНИ + +2Ч + + 2е − ↔ НАДН + Н +
ОНИ + в основном используется в катаболических путях, таких как гликолиз , которые расщепляют энергетические молекулы для производства АТФ. Соотношение НАД + НАДН сохраняется в клетке на очень высоком уровне, что делает его доступным для действия в качестве окислителя. [7] [8]
НАДП +
[ редактировать ]НАДП + отличается от НАД + только при присоединении фосфатной группы к аденозиновому 5-членному углеродному кольцу. Добавление фосфата не изменяет способности переносчика электронов. Фосфатная группа создает достаточный контраст между двумя группами, поэтому они связываются с активным центром разных ферментов, обычно катализируя разные типы реакций. [8] [9]
Эти два переносчика электронов легко различаются ферментами и участвуют в самых разных реакциях. НАДП + в основном функционирует с ферментами, которые катализируют анаболические или биосинтетические пути. [9] В частности, НАДФН будет действовать как восстановитель в этих реакциях, в результате чего образуется НАДФ. + . Это пути, которые превращают субстраты в более сложные продукты с использованием АТФ. Причина наличия двух отдельных переносчиков электронов для анаболических и катаболических путей связана с регуляцией метаболизма. [7] Соотношение НАДФ + НАДФН в клетке поддерживается на довольно низком уровне, так что НАДФН легко доступен в качестве восстановителя; он чаще используется в качестве восстановителя, чем НАДФ. + используется в качестве окислителя. [8]
ФАД
[ редактировать ]
FAD , или флавинадениндинуклеотид, представляет собой простетическую группу (неполипептидную единицу, связанную с белком, которая необходима для функционирования), состоящую из аденинового нуклеотида и флавинмононуклеотида. [10] ФАД является уникальным акцептором электронов. Его полностью восстановленная форма — ФАДН 2 (известная как форма гидрохинона), но ФАД также может быть частично окислен как ФАДН либо путем восстановления ФАД, либо путем окисления ФАДН 2 . [11] Дегидрогеназы обычно полностью восстанавливают FAD до FADH 2 . Производство FADH встречается редко.
Атомы азота с двойной связью в FAD делают его хорошим акцептором при отнятии двух атомов водорода от подложки. Поскольку для этого требуется два атома, а не один, FAD часто участвует, когда во вновь окисленном субстрате образуется двойная связь. [12] ФАД уникален, поскольку он восстанавливается двумя электронами и двумя протонами, в отличие от обоих НАД. + и НАДФ, которые принимают только один протон.
Примеры
[ редактировать ]Биологические последствия
[ редактировать ]
Альдегиды являются естественным побочным продуктом многих физиологических процессов, а также следствием многих промышленных процессов, выбрасываемых в окружающую среду в виде смога и выхлопных газов автомобилей. Накопление альдегидов в мозге и перикарде может быть вредным для здоровья человека, поскольку они могут образовывать аддукты с важными молекулами и вызывать их инактивацию. [13]
Учитывая распространенность альдегидов, должен существовать фермент, способствующий их окислению до менее летучих соединений. Альдегиддегидрогеназы (АЛДГ) – НАД. + зависимые ферменты, которые удаляют токсичные альдегиды из организма, функционируя в основном в митохондриях клеток. Эти ферменты в значительной степени ответственны за детоксикацию ацетилальдегида, который является промежуточным продуктом метаболизма этанола. Было показано, что мутация в гене ALDH2 (один из 19 генов альдегиддегидрогеназы) приводит к частому появлению у населения Восточной Азии покраснения лица после употребления алкоголя из-за накопления ацетальдегида. [14] Накопление ацетальдегида также вызывает головные боли и рвоту ( симптомы похмелья ), если его не расщепить достаточно быстро, что является еще одной причиной того, что у людей с дефицитом ацетальдегида DH возникают плохие реакции на алкоголь. [15] Важно отметить, что недостаток этого фермента связан с увеличением риска инфаркта миокарда , а активация показала способность фермента уменьшать повреждения, вызванные ишемией . [13]
Было показано, что дезактивация альдегиддегидрогеназ играет важную роль в механизмах многих видов рака. АЛДГ участвуют в дифференцировке, пролиферации, окислении и устойчивости клеток к лекарствам. [16] Эти ферменты являются лишь одним примером из множества различных типов дегидрогеназ в организме человека; Их широкий спектр функций, а также влияние, которое их дезактивация или мутации оказывают на важнейшие клеточные процессы, подчеркивают важность всех дегидрогеназ в поддержании гомеостаза организма.
Больше примеров
[ редактировать ]- ацетальдегиддегидрогеназа
- алкогольдегидрогеназа
- Дельта12-дегидрогеназа жирных кислот
- глутаматдегидрогеназа (фермент, который может превращать глутамат в α- кетоглутарат и наоборот).
- лактатдегидрогеназа (используется для преобразования НАДН обратно в НАД). + в анаэробном гликолизе и в обратной реакции с образованием НАДН)
- пируватдегидрогеназа (общий фермент, который питает цикл ТСА путем преобразования пирувата в ацетил-КоА с помощью НАД). + . В этой реакции субстрат не только окисляется, но и теряет молекулу углекислого газа и присоединяется к коферменту КоА.)
- глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа (участвует в пентозофосфатном пути , продуцируя НАДФН)
- глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (участвует в гликолизе , использует НАД + )
- сорбитдегидрогеназа
цикла TCA Примеры :
- изоцитратдегидрогеназа (использует НАД + , также имеет изофермент , использующий НАДФ)
- альфа-кетоглутаратдегидрогеназа (использует НАД + )
- сукцинатдегидрогеназа (использует FAD)
- малатдегидрогеназа (использует НАД + )
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Группа IUPAC по биохимической термодинамике, созванная Робертом Альберти, отметила, что окисленная форма НАД имеет отрицательный заряд и что НАД + является неподходящим символом для аниона [ Альберти, РА (1994). «Рекомендации по номенклатуре и таблицам биохимической термодинамики (Рекомендации ИЮПАК, 1994 г.)» . Чистая и прикладная химия . 66 (8): 1641–1666. дои : 10.1351/pac199466081641 . S2CID 96307963 . ] Однако НАД + и, аналогично, НАДФ + остаются практически универсальными, а альтернативы, такие как окисленный НАД, используются очень мало.
- ^ Перейти обратно: а б с «Номенклатура ферментов: Рекомендации Номенклатурного комитета Международного союза биохимии и молекулярной биологии по номенклатуре и классификации ферментов по реакциям, которые они катализируют» . Проверено 29 марта 2021 г.
- ^ «Классификация и номенклатура ферментов по реакциям, которые они катализируют» . Проверено 30 марта 2021 г.
- ^ Кларк, Джим (2002). «Определения окисления и восстановления (редокс)» . Химгид . Проверено 14 февраля 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Воэт, Дональд; Воэт, Джудит Г.; Пратт, Шарлотта В. (2016). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне (5-е изд.). Нью-Йорк: Уайли. ISBN 9781118918401 .
- ^ Ёсикава, Шинья; Симада, Ацухиро (20 января 2015 г.). «Механизм реакции цитохром с-оксидазы». Химические обзоры . 115 (4): 1936–1989. дои : 10.1021/cr500266a . ПМИД 25603498 .
- ^ Перейти обратно: а б с Альбертс, Б; Джонсон, А; и др. (2002). Молекулярная биология клетки . Нью-Йорк: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3 .
- ^ Перейти обратно: а б с Ин, Вэйхай (01 февраля 2008 г.). «НАД+/НАДН и НАДФ+/НАДФН в клеточных функциях и гибели клеток: регуляция и биологические последствия». Антиоксиданты и окислительно-восстановительная сигнализация . 10 (2): 179–206. дои : 10.1089/ars.2007.1672 . ISSN 1523-0864 . ПМИД 18020963 . S2CID 42000527 .
- ^ Перейти обратно: а б «Физиологическая роль НАДФН» . watcut.uwaterloo.ca . Архивировано из оригинала 06 марта 2016 г. Проверено 06 марта 2016 г.
- ^ Дым, Орли; Айзенберг, Дэвид (1 сентября 2001 г.). «Анализ последовательности-структуры FAD-содержащих белков» . Белковая наука . 10 (9): 1712–1728. дои : 10.1110/ps.12801 . ISSN 1469-896X . ПМК 2253189 . ПМИД 11514662 .
- ^ Ривлин, Ричард С. (27 августа 1970 г.). «Метаболизм рибофлавина». Медицинский журнал Новой Англии . 283 (9): 463–472. дои : 10.1056/NEJM197008272830906 . ISSN 0028-4793 . ПМИД 4915004 .
- ^ «blobs.org — Метаболизм» . www.blobs.org . Архивировано из оригинала 1 февраля 2016 г. Проверено 1 марта 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б Чен, Че-Хонг; Сан, Лихан; Мохлы-Розен, Дарья (01 октября 2010 г.). «Митохондриальная альдегиддегидрогеназа и болезни сердца» . Сердечно-сосудистые исследования . 88 (1): 51–57. дои : 10.1093/cvr/cvq192 . ISSN 0008-6363 . ПМК 2936126 . ПМИД 20558439 .
- ^ Гедде, Х.В.; Агарвал, ДП (1983). «Популяционно-генетические исследования дефицита изофермента альдегиддегидрогеназы и чувствительности к алкоголю» . Ам Джей Хум Жене . 35 (4): 769–72. ПМЦ 1685745 . ПМИД 6881146 .
- ^ «Как действует похмелье» . Как все работает . 12 октября 2004 г. Проверено 06 марта 2016 г.
- ^ ван ден Хуген, Кристель; ван дер Хорст, Гертье; Чунг, Генри; Буйс, Йерун Т.; Липпитт, Дженни М.; Гусман-Рамирес, Наталья; Хэмди, Фредди С.; Итон, Колби Л.; Тельманн, Джордж Н. (15 июня 2010 г.). «Высокая активность альдегиддегидрогеназы идентифицирует клетки, инициирующие опухоль и инициирующую метастазирование при раке простаты человека» . Исследования рака . 70 (12): 5163–5173. дои : 10.1158/0008-5472.CAN-09-3806 . ISSN 1538-7445 . ПМИД 20516116 .
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
