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

Оксидоредуктазы, ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, относятся к классу EC 1 классификации реакций, катализируемых ферментами IUBMB. ^{[ 2 ]} Любую из них можно назвать дегидрогеназой , 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

Реакция, катализируемая ферментом редуктазой.

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

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

В приведенном выше случае дегидрогеназа перенесла гидрид, высвободив 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

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

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 ⁺

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 ⁺

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

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

Биологические последствия

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

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

^ 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; Сунь, 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 .

[1] 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.

[:4-2] 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.

[rules-3] «Классификация и номенклатура ферментов по реакциям, которые они катализируют» . Проверено 30 марта 2021 г.

[:3-4] Кларк, Джим (2002). «Определения окисления и восстановления (редокс)» . Химгид . Проверено 14 февраля 2016 г.

[:1-5] 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 .

[6] 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 .

[:0-7] 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 .

[:5-8] 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 .

[:6-9] Перейти обратно: ^а ^б «Физиологическая роль НАДФН» . watcut.uwaterloo.ca . Архивировано из оригинала 06 марта 2016 г. Проверено 06 марта 2016 г.

[10] 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 .

[11] 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 .

[12] «blobs.org — Метаболизм» . www.blobs.org . Архивировано из оригинала 1 февраля 2016 г. Проверено 1 марта 2016 г.

[:7-13] Перейти обратно: ^а ^б Чен, Че-Хонг; Сунь, 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 .

[14] 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 .

[15] «Как действует похмелье» . Как все работает . 12 октября 2004 г. Проверено 06 марта 2016 г.

[16] 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 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

v т и Ферменты
Активность	Активный сайт Связывающий сайт Каталитическая триада Оксианионная дырка Ферментная распущенность Фермент, ограниченный диффузией Кофактор Ферментативный катализ
Регулирование	Аллостерическая регуляция Кооперативность Ингибитор ферментов Активатор ферментов
Классификация	Номер ЕС Суперсемейство ферментов Семейство ферментов Список ферментов
Кинетика	Кинетика ферментов Диаграмма Иди – Хофсти Заговор Хейнса – Вульфа График Лайнуивера – Берка Кинетика Михаэлиса – Ментен
Типы	EC1 Оксидоредуктазы ( список ) EC2 Трансферазы ( список ) EC3 Гидролазы ( список ) EC4- лиазы ( список ) EC5 Изомеразы ( список ) EC6- лигазы ( список ) EC7 Транслоказы ( список )