Deshidroxenase

Unha deshidroxenase é un encima que pertence ao grupo das oxidorredutases, que oxida un substrato ao reducir un aceptor de electróns, que adoita ser o coencima NAD⁺/NADP^+[1] ou unha flavina como o FAD ou o FMN. Como todos os catalizadores, catlizan tamén a reacción inversa, e nalgúns casos isto ten importancia fisiolóxica: por exemplo, a alcohol deshidroxenase cataliza a oxidación de etanol a acetaldehido en animais, pero en lévedos cataliza a produción de etanol a partir de acetaldehido.

Clasificación da IUBMB

As oxidorredutases, encimas que catalizan reaccións de oxidación-redución, constitúen a clase EC 1 da clasificación da IUBMB de reaccións catalizadas por encimas.^[2] Cada unha delas pode ser chamada deshidroxenase, especialmene aquelas na cales o NAD⁺ é o aceptor de electróns (oxidante), pero a denominación redutase tamén se usa cando a énfase fisiolóxica se pon na redución do substrato, e o termo oxidase úsase soamente cando o O₂ é o aceptor de electróns.^[3] O nome sistemático dunha oxidorredutase é "doante:aceptor oxidorredutase", pero, cando é posible, é máis conveniente denominala como "doante deshidroxenase".

Reaccións catalizadas

Unha reacción catlizada por un encima redutase.

As deshidroxenases oxidan un substrato ao transferiren hidróxeno a un aceptor de electróns, dos cales os máis comúns son o NAD⁺ ou o FAD. Isto sería considerado unha oxidación do substrato na cal o substrato perde átomos de hidróxeno ou gaña átomos de oxíxeno (procedentes da auga).^[4] O nome "deshidroxenase" está baseado na idea de que facilita a retirada (des-) de hidróxenos (-hidroxen-) e que é un encima coa súa terminación típica (-ase). As reaccións das deshidroxenases poden producirse comunmente de dúas formas: a transferencia dun hidruro e a liberación dun protón ou H⁺ (a miúdo coa auga como segundo reactivo), e a transferencia de dous hidróxenos.

Transferenca dun hidruro e liberación dun protón

Ás veces unha reacción catalizada por unha deshidroxenase pode escribirse así: AH + B⁺ ↔ A⁺ + BH cando se transfire un hidruro.

A alcohol deshidroxenase oxida etanol, coa axuda do transportador de electróns NAD⁺, rendendo acetaldehido

A representa o substrato que será oxidado, e B é o aceptor do hidruro. Nótese como cando se tansfire o hidruro de A a B, a molécula A adquiriu unha carga positiva; isto débese a que o encima captou dous electróns do substrato para reducir o aceptor a BH.

O resultado dunha reacción catalizada por unha deshidroxenase non é sempre a adquisición dunha carga positiva. Ás veces o substrato perde un protón. Isto pode deixar electróns libres no substrato que se acomodan nun dobre enlace. Isto ocorre frecuentemente cando o substrato é un alcohol; cando sae un protón situado no oxíxeno, os electróns libres do oxíxeno serán usados para crear un dobre enlace, como se ve na oxidación do etanol a acetaldehido levada a cabo pola alcohol deshidroxenase na imaxe da dereita.^[2]

Outra posibilidsade é que unha molécula de auga entre na reacción, contribuíndo cun ión hidróxido ao substrato e cun protón liberado ao ambiente. O resultado neto sobre o substrato é a adición dun átomo de oxíxeno. Isto pode observarse, por exemplo, na oxidación do acetaldehido a ácido acético pola acetaldehido deshidroxenase, unha etapa do metabolismo do etanol e na produción de vinagre.

Transferencia de dous hidróxenos

Reacción catlizada pola succinato deshidroxenase. Nótese o dobre enlace que se forma entre os dous carbonos centrais cando se retiran os dous hidróxenos.

No caso de arriba, a deshidroxenase transfería un hidruro á vez que liberaba un protón, H⁺, pero as deshidroxenases poden tamén tansferir dous hidróxenos, usando o FAD como aceptor de electróns. Isto sería representdo como AH₂ + B ↔ A + BH₂. Normalmente fórmase un dobre enlace entre os dous átomos dos que se retiraron os hidróxenos, como no caso da succinato deshidroxenase. Os dous hidróxenos son transferidos ao transportador ou ao outro produto, cos seus electróns.

Identificación dunha reacción de deshidroxenase

A distinción entre as subclases de oxidorredutases que catalizan reaccións de oxidación depende dos seus aceptores de electróns.^[5]

Reacción catalizada por unha oxidase. Nótese a redución do oxíxeno como aceptor de electróns.

As deshidroxenases e as oxidases son doadamente distinguibles se concideramos o aceptor de electróns. Unha oxidase retira electróns dun substrato tamén, pero só usará o oxíxeno como o seu aceptor de electróns. Unha reacción dese tipo é a seguinte: AH₂ + O₂ ↔ A + H₂O₂.

Ás veces unha reacción de oxidase pode ser deste tipo: 4A + 4H⁺ + O₂ ↔ 4A⁺ + 2H₂O. Neste caso, o encima está captando electróns do substrato, e usando protóns libres para reducir o oxíxeno, deixando o substrato cunha carga positiva. O produto é a auga en vez do peróxido de hidróxeno como o que se ve na imaxe de ariba. Un exemplo dunha oxidase que funciona como esta é o complexo IV da cadea de transporte de electróns.^[6]

Nótese que as oxidases transfiren o equivalente de dihidróxeno (H₂), e o aceptor é o dioxíxeno (O₂). De maneira similar, unha peroxidase (outra subclase de oxidorredutases) usa o peróxido de hidróxeno (H₂O₂) como aceptor de electróns, en vez do oxíxeno.^[2]

Aceptores de electróns

Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD⁺).

Os encimas deshidroxenases transfiren electróns desde o substrato a un transportador de electróns; o transportador que se use dependerá da reacción que se estea producindo. Aceptores de electróns comúns usados por esta subclase son NAD⁺, FAD e NADP⁺. Os transportadores de electróns son reducidos neste proceso e considerados oxidantes do substrato. Os transportadores de electróns son coencimas que se adoitan denominar "cofactores redox".^[5]

NAD⁺

O NAD⁺, ou nicotinamida adenina dinucleótido, é un dinucleótido, que contén dous nucleótidos. Un dos nucleótidos que contén é un grupo adenina, mentres que o outro é a nicotinamida. Para reducir esta molécula, deben engadirse un hidróxeno e dous electróns ao anel de 6 carbonos da nicotinamida; un electrón engádese ao carbono fronte ao nitróxeno cargado positivamente, causando unha redistribución de enlaces no anel que lle dá ao nitróxeno máis electróns; como resultado perde a súa carga positiva. O outro electrón é "roubado" dun hidróxeno adicional, deixando un ión hidróxeno na solución.^[5][7]

Redución do NAD⁺: NAD⁺ + 2H⁺ + 2e⁻ ↔ NADH + H⁺

O NAD⁺ é usado principalmente nas vías catabólicas, como a glicólise, que degrada moléculas enerxéticas para producir ATP. A proporción de NAD⁺ respecto do NADH mantense moi alta na célula, o que o fai moi dispoñible para actuar como axente oxidante.^[7][8]

Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP⁺).

NADP⁺

O NADP⁺ difire do NAD⁺ só na adición dun grupo fosfato ao anel de carbono de 5 membros da adenosina. A adición do fosfato non altera as capacidades de tansporte de electróns do transportdor. O grupo fosfato crea bastante contraste entre os dous grupos de modo que se poden unir ao sitio activo de diferentes encimas, xeralmente catalizando distintos tipos de reaccións.^[8][9]

Estes dous transportadores de electróns son doadamente distinguibles polos encimas e participan en reaccións moi diferentes. O NADP⁺ funciona maiormente con encimas que catalizan vías anabólicas ou biosintéticas.^[9] Concretamente, o NADPH actúa como un axente redutor nestas reaccións, orixinando NADP⁺. Estas son vías que converten os substratos en produtos máis complicados, usando ATP. A razón que hai detrás de ter dous trnasportadores de electróns distintos para as vías anabólicas e catabólicas está relacionada coa regulación do metabolismo.^[7] A proporción de NADP⁺ respecto ao NADPH na célula mantense máis ben baixa para que o NADPH estea moi dispoñible como axente redutor; o NADPH utilízase máis comunmente como axente redutor do que o NADP⁺ se usa como axente oxidante.^[8]

FAD

Flavín adenín dinucleótido (FAD).

O FAD, ou flavín adenín dinucleótido, é un grupo prostético (un compoñente non polipeptídico firmemente unido a unha proteína que é necesario para a súa función) que consta dun nucleótido de adenina e un flavín mononucleótido.^[10] O FAD é un aceptor dun só electrón. A súa forma completamente reducida é FADH₂ (coñecida como forma hidroquinona), pero o FAD pode tamén estar parcialmente oxidado como FADH ao reducir o FAD ou oxidar o FADH₂.^[11] As deshidroxenases tipicamente reducen o FAD a FADH₂. A produción de FADH é rara.

Os átomos de nitróxeno con dobre enlace do FAD fano un bo aceptor para captar dous átomos de hidróxeno do susbtrato. Como capta dous átomos e non só un, o FAD a miúdo intervén cando se forma un dobre enlace no substrato acabado de oxidar.^[12] O FAD é peculiar porque é reducido por dous electróns e dous protóns, ao contrario que o NAD⁺ ou o NADP⁺, que só captan un protón.

Exemplos

Implicacións biolóxicas

O mecanismo dunha aldehido deshidroxenase. Nótese o uso de NAD⁺ como aceptor de electróns.

Os aldehidos son subprodutos naturais de moitos procesos fisiolóxicos, e tamén son a consecuencia de moitos procesos industriais, expulsados ao medio ambiente en forma de smog e escapes de motores de vehículos. A acumulación de aldehidos no cerebro e no pericardio pode ser prexudicial para a súade das persoas, xa que poden formar adutos con importantes moléculas e causar a súa inactivación.^[13]

Considerando o frecuentes que son os aldehidos, debe haber un encima que facilite a súa oxidación a un composto menos volátil. As aldehido deshidroxenases (ALDH) son encimas dependentes de NAD⁺ que funcionan eliminando aldehidos tóxicos do corpo, funcionando principalmente nas mitocondrias das células. Estes encimas son en gran medida responsables da detoxificación do acetaldehido, o cal é un intermediario no metabolismo do etanol. Unha mutación no xene ALDH2 (un dos 19 xenes de aldehido deshidroxenase) orixina a aparición común na poboación do leste de Asia dunha cara avermellada despois de consumir alcohol, debido á acumulación de acetaldehido.^[14] Esta acumulación de acetaldehido tamén causa dores de cabeza e vómitos (síntomas da resaca) se non se degrada rapidamente, outra razón pola cal os que teñen deficiencia da acetaldehido deshidroxenase teñen unha mala reacción ao alcohol.^[15] Un dato importante é que a carencia dese encima foi ligada cun incremento do risco de infarto de miocardio, mentres que a activación mostrou a capacidade do encima de reducir os danos causados pola isquemia.^[13]

A desactivación das aldehido deshidroxenases está implicada no mecanismo de moitos cancros. As ALDHs funcionan na diferenciación celular, proliferación celular, oxidación e resistencia a fármacos.^[16] Estes encimas son só un exemplo dos moitos tipos de deshidroxenases do corpo humano; a súa ampla variedade de funcións e o efecto que a súa desactivación ou mutacións teñen sobre procesos celulars fundamentais subliña a importancia de todas as deshidroxenases no mantemento da homeostase corporal.

Máis exemplos

• Acetaldehido deshidroxenase
• Alcohol deshidroxenase
• Delta12-ácido graxo deshidroxenase
• Glutamato deshidroxenase (un encima que pode converter o glutamato en α-cetoglutarato e viceversa).
• Lactato deshidroxenase (usada para converter o NADH de novo en NAD⁺ na glicólise anaerobia, e na reacción inversa para producir NADH)
• Piruvato deshidroxenase (un encima común que fornece ao ciclo do ácido cítrico ao converter o piruvato en acetil-CoA, usando o NAD⁺. Nesta racción, o substrato non só é oxidado senón que tamén perde unha molécula de dióxido de carbono, e está unido ao coencima A (CoA).)
• Glicosa-6-fosfato deshidroxenase (implicada na ruta da pentosa fosfato, producindo NADPH)
• Gliceraldehido-3-fosfato deshidroxenase (implicada na glicólise, usa NAD⁺)
• Sorbitol deshidroxenase

Exemplos no ciclo do ácido cítrico ou de Krebs:

• Isocitrato deshidroxenase (usa NAD⁺, tamén ten un isocima que usa NADP⁺)
• Alfa-cetoglutarato deshidroxenase (usa NAD⁺)
• Succinato deshidroxenase (usa FAD)
• Malato deshidroxenase (usa NAD⁺)

Notas

1. Un panel da IUPAC sobre termodinámica bioquímica convocado por Robert Alberty sinalou que a forma oxidada do NAD está cargada negativamente, e que NAD⁺ é un símbolo inapropiado para un anión [Alberty, R.A. (1994). "Recommendations for Nomenclature and Tables in Biochemical Thermodynamics (IUPAC Recommendations 1994)". Pure and Applied Chemistry 66 (8): 1641–1666. doi:10.1351/pac199466081641. ] Porén, NAD⁺ e, de xeito similar, NADP⁺, seguen usándose de forma case universal, e alternativas como NAD_oxidado foron escasamente adoptadas na literatura.
2. "Enzyme Nomenclature: Recommendations of the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology on the Nomenclature and Classification of Enzymes by the Reactions they Catalyse". Consultado o 29 de marzo de 2021. 
3. "Classification and Nomenclature of Enzymes by the Reactions they Catalyse". Consultado o 30 de marzo de 2021. 
4. Clark, Jim (2002). "Definitions of Oxidation and Reduction (Redox)". Chemguide. Consultado o 14 de febreiro de 2016. 
5. Voet, Donald; Voet, Judith G.; Pratt, Charlotte W. (2016). Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level (5ª ed.). Nova York: Wiley. ISBN 9781118918401. 
6. Yoshikawa, Shinya; Shimada, Atsuhiro (2015-01-20). "Reaction Mechanism of Cytochrome c Oxidase". Chemical Reviews (en inglés) 115 (4): 1936–1989. PMID 25603498. doi:10.1021/cr500266a. 
7. Alberts, B; Johnson, A; et al. (2002). Molecular Biology of the Cell. New York: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3. 
8. Ying, Weihai (2008-02-01). "NAD+/NADH and NADP+/NADPH in cellular functions and cell death: regulation and biological consequences". Antioxidants & Redox Signaling 10 (2): 179–206. ISSN 1523-0864. PMID 18020963. doi:10.1089/ars.2007.1672. 
9. "The physiological role of NADPH". watcut.uwaterloo.ca. Arquivado dende o orixinal o 2016-03-06. Consultado o 2016-03-06. 
10. Dym, Orly; Eisenberg, David (2001-09-01). "Sequence-structure analysis of FAD-containing proteins". Protein Science (en inglés) 10 (9): 1712–1728. ISSN 1469-896X. PMC 2253189. PMID 11514662. doi:10.1110/ps.12801. 
11. Rivlin, Richard S. (1970-08-27). "Riboflavin Metabolism". New England Journal of Medicine 283 (9): 463–472. ISSN 0028-4793. PMID 4915004. doi:10.1056/NEJM197008272830906. 
12. "blobs.org - Metabolism". www.blobs.org. Arquivado dende o orixinal o 2016-02-01. Consultado o 2016-03-01. 
13. Chen, Che-Hong; Sun, Lihan; Mochly-Rosen, Daria (2010-10-01). "Mitochondrial aldehyde dehydrogenase and cardiac diseases". Cardiovascular Research (en inglés) 88 (1): 51–57. ISSN 0008-6363. PMC 2936126. PMID 20558439. doi:10.1093/cvr/cvq192. 
14. Goedde, HW; Agarwal, DP (1983). "Population genetic studies on aldehyde dehydrogenase isozyme deficiency and alcohol sensitivity". Am J Hum Genet 35 (4): 769–72. PMC 1685745. PMID 6881146. 
15. "How Hangovers Work". HowStuffWorks. 2004-10-12. Consultado o 2016-03-06. 
16. van den Hoogen, Christel; van der Horst, Geertje; Cheung, Henry; Buijs, Jeroen T.; Lippitt, Jenny M.; Guzmán-Ramírez, Natalia; Hamdy, Freddie C.; Eaton, Colby L.; Thalmann, George N. (2010-06-15). "High aldehyde dehydrogenase activity identifies tumor-initiating and metastasis-initiating cells in human prostate cancer". Cancer Research 70 (12): 5163–5173. ISSN 1538-7445. PMID 20516116. doi:10.1158/0008-5472.CAN-09-3806.