Дегидрогеназы (также называемый DH или DHase в литературе) является ферментом , принадлежащим к группе оксидоредуктаз , что окисляет субстрат путем уменьшения акцептора электронов, как правило , НАД + / НАДФ + или флавин кофермент , такие как FAD или ФМН . Они также катализируют обратную реакцию, например, алкогольдегидрогеназа не только окисляет этанол до ацетальдегида у животных, но также производит этанол из ацетальдегида в дрожжах.
Класс ферментов [ править ]
Дегидрогеназы - это подкласс класса ферментов, называемых «оксидоредуктазами». Оксидоредуктазы, как правило, катализируют реакции окисления и восстановления. Эти ферменты делятся на шесть категорий: оксигеназы , редуктазы , пероксидазы , оксидазы , гидроксилазы и дегидрогеназы. Большинство ферментов оксидоредуктазы являются дегидрогеназами, хотя часто встречаются и редуктазы. Принятая номенклатура дегидрогеназ - «донорная дегидрогеназа», где донор - это субстрат, который может окисляться. [1]
Окислительно-восстановительные реакции необходимы для роста и выживания организмов, поскольку окисление органических молекул производит энергию. Энергетические реакции могут стимулировать синтез важных энергетических молекул, таких как АТФ, при гликолизе . По этой причине дегидрогеназы играют ключевую роль в метаболизме. [2]
Катализированные реакции [ править ]
Дегидрогеназы окисляют субстрат, передавая водород к акцептору электронов, обычными акцепторами электронов являются НАД + или ФАД. Это будет считаться окислением субстрата, при котором субстрат либо теряет атомы водорода, либо получает атом кислорода (из воды). [3] Название «дегидрогеназа» основано на идее, что она способствует удалению (де-) водорода (-водород-) и является ферментом (-аза). Реакции дегидрогеназы обычно 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 [ править ]
Иногда реакция, катализируемая дегидрогеназой, будет выглядеть так: AH + B + ↔ A + + BH при переносе гидрида .
A представляет собой субстрат, который будет окисляться, а B - акцептор гидрида. [4] Обратите внимание, как когда гидрид переносится от A к B, A принимает положительный заряд; это потому, что фермент взял два электрона от субстрата, чтобы восстановить акцептор до BH. [2]
Результатом реакции, катализируемой дегидрогеназой, не всегда является получение положительного заряда. Иногда субстрат теряет протон. Это может оставить свободные электроны на подложке, которые переходят в двойную связь. Это часто случается, когда субстратом является спирт; когда протон на кислороде уходит, свободные электроны на кислороде будут использоваться для создания двойной связи, как видно из окисления этанола до ацетальдегида, осуществляемого алкогольдегидрогеназой на изображении справа. [5]
Другая возможность состоит в том, что молекула воды вступит в реакцию, внося ион гидроксида в субстрат и протон в окружающую среду. Конечный результат на подложке - добавление одного атома кислорода. Это видно, например, в окислении ацетальдегида до уксусной кислоты под действием ацетальдегиддегидрогеназы , стадии метаболизма этанола и производства уксуса.
Перенос двух атомов водорода [ править ]
В приведенном выше случае дегидрогеназа перенесла гидрид, высвобождая протон, H + , но дегидрогеназы также могут переносить два атома водорода, используя FAD в качестве акцептора электронов. Это было бы обозначено как AH 2 + B ↔ A + BH 2 . Между двумя атомами, из которых взяты атомы водорода, обычно образуется двойная связь, как в случае сукцинатдегидрогеназы . Два атома водорода были перенесены на носитель или другой продукт вместе со своими электронами.
Определение реакции дегидрогеназы [ править ]
Различие между подклассами оксидоредуктаз, катализирующих реакции окисления, заключается в их акцепторах электронов. [1]
Дегидрогеназа и оксидаза легко различимы, если рассматривать 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 + + O 2 ↔ 4A + + 2H 2 O. В этом случае фермент забирает электроны у субстрата и использует свободные протоны для восстановления кислорода, оставляя субстрат с положительный заряд. Продукт представляет собой воду, а не перекись водорода, как показано выше. [2] Примером оксидазы, которая функционирует подобным образом, является комплекс IV в цепи переноса электронов ( ETC ). [6]
Обратите внимание, что оксидазы обычно переносят эквивалент дигидрогена (H 2 ), а акцептором является диоксид кислорода. Точно так же пероксидаза (другой подкласс оксидоредуктаз) будет использовать пероксид (H 2 O 2 ) в качестве акцептора электронов, а не кислород. [5]
Акцепторы электронов [ править ]
Ферменты дегидрогеназы переносят электроны с субстрата на переносчик электронов; какой носитель используется, зависит от протекающей реакции. Обычными акцепторами электронов, используемыми в этом подклассе, являются НАД + , ФАД и НАДФ + . Электронные носители восстанавливаются в этом процессе и считаются окислителями субстрата. Электронные носители представляют собой коферменты , которые часто называют «окислительно-восстановительными кофакторами». [1]
NAD + [ редактировать ]
НАД + , или никотинамидадениндинуклеотид, представляет собой динуклеотид, содержащий два нуклеотида. Один из содержащихся в нем нуклеотидов представляет собой адениновую группу, а другой - никотинамид. Чтобы восстановить эту молекулу, к 6-углеродному кольцу никотинамида должны быть добавлены водород и два электрона; один электрон добавляется к углероду напротив положительно заряженного азота, вызывая перегруппировку связей внутри кольца, чтобы дать азоту больше электронов; в результате он потеряет свой положительный заряд. Другой электрон «похищается» у дополнительного водорода, оставляя ион водорода в растворе. [1] [7]
Восстановление NAD + : NAD + + 2H + + 2e - ↔ NADH + H +
НАД + в основном используется в катаболических путях, таких как гликолиз , которые расщепляют молекулы энергии с образованием АТФ. Отношение НАД + к НАДН в клетке поддерживается на очень высоком уровне, что делает его доступным для использования в качестве окислителя. [7] [8]
NADP + [ редактировать ]
НАДФ + отличается от НАД + только добавлением фосфатной группы к 5-членному углеродному кольцу аденозина. Добавление фосфата не изменяет способность переносчика электронов к переносу. Фосфатная группа создает достаточный контраст между двумя группами, которые они связывают с активным центром разных ферментов, обычно катализируя различные типы реакций. [8] [9]
Эти два переносчика электронов легко различимы ферментами и участвуют в очень разных реакциях. НАДФ + в основном функционирует с ферментами, которые катализируют анаболические или биосинтетические пути. [9] В частности, НАДФН будет действовать как восстанавливающий агент в этих реакциях, приводя к НАДФ + . Это пути преобразования субстратов в более сложные продукты с использованием АТФ. Причина наличия двух отдельных переносчиков электронов для анаболических и катаболических путей связана с регуляцией метаболизма. [7] Отношение НАДФ + к НАДФН в клетке поддерживается довольно низким, так что НАДФН легко доступен в качестве восстановителя; он чаще используется в качестве восстановителя, чем НАДФ +используется как окислитель. [8]
FAD [ править ]
FAD , или флавинадениндинуклеотид, представляет собой простетическую группу (неполипептидную единицу, связанную с белком, который необходим для функционирования), которая состоит из аденинового нуклеотида и флавинмононуклеотида. [10] ФАД - уникальный акцептор электронов. Его полностью восстановленная форма - это FADH 2 (известная как форма гидрохинона), но FAD также может быть частично окислен как FADH путем восстановления или окисления FADH 2 . [11] Дегидрогеназы обычно полностью восстанавливают FAD до FADH 2 . Продукция FADH встречается редко.
Атомы азота с двойной связью в FAD делают его хорошим акцептором, отбирающим два атома водорода от подложки. Поскольку для этого требуется два атома, а не один, FAD часто участвует в образовании двойной связи во вновь окисленном субстрате. [12] FAD уникален, потому что он восстанавливается двумя электронами и двумя протонами, в отличие от NAD + и NADP, которые принимают только один протон.
Примеры [ править ]
Биологические последствия [ править ]
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 головном мозге и перикарде может быть вредным для здоровья человека, поскольку они могут образовывать аддукты с важными молекулами и вызывать их инактивацию. [13]
Учитывая, насколько распространены альдегиды, необходим фермент, способствующий их окислению до менее летучих соединений. Альдегиддегидрогеназы (ALDH) - это NAD + -зависимые ферменты, которые действуют для удаления токсичных альдегидов из организма и работают в основном в митохондриях клеток. Эти ферменты в значительной степени отвечают за детоксикацию ацетилальдегида, который является промежуточным звеном в метаболизме этанола. Было показано, что мутация в гене ALDH2 (один из 19 генов альдегиддегидрогеназы) приводит к частому возникновению у населения Восточной Азии покраснения лица после употребления алкоголя из-за накопления ацетальдегида. [14] Это накопление ацетальдегида также вызывает головные боли и рвоту ( похмелье).симптомы), если он не расщепляется достаточно быстро, это еще одна причина, по которой люди с дефицитом ацетальдегида DH плохо реагируют на алкоголь. [15] Важно отметить, что недостаток этого фермента был связан с увеличением риска инфаркта миокарда , в то время как активация показала способность фермента уменьшать повреждения, вызванные ишемией . [13]
Было показано, что дезактивация альдегиддегидрогеназ играет важную роль в механизмах многих видов рака. ALDH участвуют в дифференцировке, пролиферации, окислении клеток и устойчивости к лекарствам. [16] Эти ферменты являются лишь одним из множества различных типов дегидрогеназ в организме человека; их широкий спектр функций и влияние, которое их деактивация или мутации оказывают на важнейшие клеточные процессы, подчеркивают важность всех дегидрогеназ в поддержании гомеостаза организма.
Больше примеров [ править ]
- ацетальдегиддегидрогеназа
- алкогольдегидрогеназа
- Дегидрогеназа дельта12-жирных кислот
- глутаматдегидрогеназа (фермент, который может превращать глутамат в α- кетоглутарат и наоборот).
- лактатдегидрогеназа (используется для преобразования NADH обратно в NAD + при анаэробном гликолизе и в обратной реакции для производства NADH)
- пируватдегидрогеназа (общий фермент, который питает цикл TCA , превращая пируват в ацетил-КоА с использованием NAD + . В этой реакции субстрат не только окисляется, но также теряет молекулу диоксида углерода и присоединяется к коферменту CoA.)
- глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа (участвует в пентозофосфатном пути , продуцирующем НАДФН)
- глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (участвует в гликолизе , использует NAD + )
- сорбитолдегидрогеназа
Примеры цикла TCA :
- изоцитратдегидрогеназа (использует НАД + , также имеет изофермент, который использует НАДФ)
- альфа-кетоглутаратдегидрогеназа (использует НАД + )
- сукцинатдегидрогеназа (использует FAD)
- малатдегидрогеназа (использует НАД + )
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d Воет, Дональд (2006). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне . Нью-Йорк: Вили.
- ^ a b c «Окислительные реакции: дегидрогеназа и оксидазы - BioWiki» . biowiki.ucdavis.edu . Проверено 21 февраля 2016 .
- ^ Кларк, Джим (2002). «Определения окисления и восстановления (редокс)» . Chemguide . Проверено 14 февраля 2016 года .
- ^ "Что такое оксидоредуктазы?" . www.chem.uwec.edu . Проверено 2 февраля 2016 .
- ^ a b «Шесть основных классов ферментов и примеры их подклассов» (PDF) .
- ^ Йошикава, Шинья; Симада, Атсухиро (20 января 2015 г.). «Механизм реакции цитохром с оксидазы». Химические обзоры . 115 (4): 1936–1989. DOI : 10.1021 / cr500266a . PMID 25603498 .
- ^ a b c Альбертс, B; Джонсон, А; и другие. (2002). Молекулярная биология клетки . Нью-Йорк: Наука о гирляндах. ISBN 978-0-8153-3218-3.
- ^ a b c Инь, Вэйхай (2008-02-01). «НАД + / НАДН и НАДФ + / НАДФН в клеточных функциях и гибели клеток: регуляция и биологические последствия». Антиоксиданты и редокс-сигналы . 10 (2): 179–206. DOI : 10.1089 / ars.2007.1672 . ISSN 1523-0864 . PMID 18020963 . S2CID 42000527 .
- ^ а б «Физиологическая роль НАДФН» . watcut.uwaterloo.ca . Проверено 6 марта 2016 .
- ^ Дим, Орли; Эйзенберг, Дэвид (2001-09-01). «Последовательно-структурный анализ FAD-содержащих белков» . Белковая наука . 10 (9): 1712–1728. DOI : 10.1110 / ps.12801 . ISSN 1469-896X . PMC 2253189 . PMID 11514662 .
- ^ Ривлин, Ричард С. (1970-08-27). «Метаболизм рибофлавина». Медицинский журнал Новой Англии . 283 (9): 463–472. DOI : 10.1056 / NEJM197008272830906 . ISSN 0028-4793 . PMID 4915004 .
- ^ "blobs.org - Метаболизм" . www.blobs.org . Проверено 1 марта 2016 .
- ^ а б Чен, Че-Хун; Сан, Лихан; Мочлы-Розен, Дарья (01.10.2010). «Митохондриальная альдегиддегидрогеназа и сердечные заболевания» . Сердечно-сосудистые исследования . 88 (1): 51–57. DOI : 10.1093 / CVR / cvq192 . ISSN 0008-6363 . PMC 2936126 . PMID 20558439 .
- ^ Goedde, HW; Агарвал, Д.П. (1983). «Популяционные генетические исследования дефицита изофермента альдегиддегидрогеназы и чувствительности к алкоголю» . Am J Hum Genet . 35 (4): 769–72. PMC 1685745 . PMID 6881146 .
- ^ "Как похмелье работать" . HowStuffWorks . 2004-10-12 . Проверено 6 марта 2016 .
- ^ ван ден Хуген, Кристель; ван дер Хорст, Гертье; Чунг, Генри; Buijs, Jeroen T .; Липпитт, Дженни М .; Гусман-Рамирес, Наталья; Хэмди, Фредди С.; Eaton, Colby L .; Тальманн, Джордж Н. (15.06.2010). «Высокая активность альдегиддегидрогеназы позволяет идентифицировать инициирующие опухоль и метастазирующие клетки при раке простаты человека» . Исследования рака . 70 (12): 5163–5173. DOI : 10.1158 / 0008-5472.CAN-09-3806 . ISSN 1538-7445 . PMID 20516116 .