Deshidrogenasa

Una deshidrogenasa es una enzima perteneciente al grupo de las oxidorreductasas que oxida un sustrato al reducir un aceptor de electrones, generalmente NAD/NADP o una coenzima flavina como FAD o FMN. Como todos los catalizadores, catalizan reacciones inversas y directas y, en algunos casos, esto tiene un significado fisiológico: por ejemplo, la alcohol deshidrogenasa cataliza la oxidación del etanol a acetaldehído en animales, pero en la levadura cataliza la producción de etanol a partir de acetaldehído.

Clasificación IUBMB

Las oxidorreductasas, enzimas que catalizan reacciones de oxidación-reducción, constituyen la Clase EC 1 de la clasificación IUBMB de reacciones catalizadas por enzimas. Cualquiera de estas puede llamarse deshidrogenasa, especialmente aquellas en las que NAD es el aceptor de electrones (oxidante), pero la reductasa también se usa cuando el énfasis fisiológico está en la reducción del sustrato, y la oxidasa se usa solo cuando el O ₂ es el aceptor de electrones. El nombre sistemático de una oxidorreductasa es "oxidorreductasa donante:aceptora", pero cuando es posible se denomina más convenientemente como "deshidrogenasa donante".

Reacciones catalizadas

Las deshidrogenasas oxidan un sustrato transfiriendo hidrógeno a un aceptor de electrones, siendo los aceptores de electrones comunes NAD o FAD. Esto se consideraría una oxidación del sustrato, en la que el sustrato pierde átomos de hidrógeno o gana un átomo de oxígeno (del agua). El nombre "deshidrogenasa" se basa en la idea de que facilita la eliminación (des-) de hidrógeno (-hidrógeno-), y es una enzima (-asa). Las reacciones de deshidrogenasa se presentan más comúnmente en dos formas: la transferencia de un hidruro y la liberación de un protón (a menudo con agua como segundo reactivo) y la transferencia de dos hidrógenos.

Transferir un hidruro y liberar un protón

A veces, una reacción catalizada por deshidrogenasa se verá así: AH + B ↔ A + BH cuando se transfiere un hidruro.

A representa el sustrato que se oxidará, mientras que B es el aceptor de hidruro. Observe cómo cuando el hidruro se transfiere de A a B, A ha adquirido una carga positiva; esto se debe a que la enzima ha tomado dos electrones del sustrato para reducir el aceptor a BH.

El resultado de una reacción catalizada por deshidrogenasa no siempre es la adquisición de una carga positiva. A veces, el sustrato pierde un protón. Esto puede dejar electrones libres en el sustrato que se mueven en un doble enlace. Esto sucede con frecuencia cuando el sustrato es un alcohol; cuando el protón del oxígeno se va, los electrones libres del oxígeno se utilizarán para crear un doble enlace, como se ve en la oxidación del etanol a acetaldehído llevada a cabo por la alcohol deshidrogenasa en la imagen de la derecha.

Otra posibilidad es que una molécula de agua entre en la reacción, aportando un ion hidróxido al sustrato y un protón al medio ambiente. El resultado neto sobre el sustrato es la adición de un átomo de oxígeno. Esto se ve, por ejemplo, en la oxidación de acetaldehído a ácido acético por acetaldehído deshidrogenasa, un paso en el metabolismo del etanol y en la producción de vinagre.

Transferencia de dos hidrógenos

En el caso anterior, la deshidrogenasa ha transferido un hidruro mientras libera un protón, H, pero las deshidrogenasas también pueden transferir dos hidrógenos, utilizando FAD como aceptor de electrones. Esto se representaría como AH ₂ + B ↔ A + BH ₂. Normalmente se forma un doble enlace entre los dos átomos de los que se tomaron los hidrógenos, como en el caso de la succinato deshidrogenasa. Los dos hidrógenos se han transferido al portador o al otro producto, con sus electrones.

Identificación de una reacción de deshidrogenasa

La distinción entre las subclases de oxidorreductasas que catalizan reacciones de oxidación radica en sus aceptores de electrones.

La deshidrogenasa y la oxidasa se distinguen fácilmente si se considera el aceptor de electrones. Una oxidasa también eliminará electrones de un sustrato, pero solo usa oxígeno como su aceptor de electrones. Una de esas reacciones es: AH ₂ + O ₂ ↔ A + H ₂ O ₂.

A veces, una reacción de oxidasa se verá así: 4A + 4H + O ₂ ↔ 4A + 2H ₂ O. En este caso, la enzima toma electrones del sustrato y usa protones libres para reducir el oxígeno, dejando el sustrato con un positivo. cargo. El producto es agua, en lugar de peróxido de hidrógeno como se ve arriba. Un ejemplo de oxidasa que funciona así es el complejo IV en la cadena de transporte de electrones (ETC).

Tenga en cuenta que las oxidasas normalmente transfieren el equivalente de dihidrógeno (H ₂) y el aceptor es un dioxígeno. De manera similar, una peroxidasa (otra subclase de oxidorreductasas) utilizará un peróxido (H ₂ O ₂) como aceptor de electrones, en lugar de oxígeno.

Aceptores de electrones

Las enzimas deshidrogenasa transfieren electrones del sustrato a un transportador de electrones; el portador que se utilice depende de la reacción que tenga lugar. Los aceptores de electrones comunes utilizados por esta subclase son NAD, FAD y NADP. Los transportadores de electrones se reducen en este proceso y se consideran oxidantes del sustrato. Los transportadores de electrones son coenzimas que a menudo se denominan "cofactores redox".

NAD

NAD, o dinucleótido de nicotinamida y adenina, es un dinucleótido que contiene dos nucleótidos. Uno de los nucleótidos que contiene es un grupo adenina, mientras que el otro es nicotinamida. Para reducir esta molécula, se debe agregar un hidrógeno y dos electrones al anillo de 6 carbonos de la nicotinamida; se agrega un electrón al carbono opuesto al nitrógeno con carga positiva, lo que provoca una reorganización de los enlaces dentro del anillo para dar al nitrógeno más electrones; perderá su carga positiva como resultado. El otro electrón es "robado" de un hidrógeno adicional, dejando el ion de hidrógeno en solución.

Reducción de NAD: NAD + 2H + 2e ↔ NADH + H

NAD se usa principalmente en vías catabólicas, como la glucólisis, que descompone moléculas de energía para producir ATP. La proporción de NAD a NADH se mantiene muy alta en la célula, manteniéndolo fácilmente disponible para actuar como agente oxidante.

NADP

NADP difiere de NAD solo en la adición de un grupo fosfato al anillo de carbono de 5 miembros de adenosina. La adición del fosfato no altera la capacidad de transporte de electrones del portador. El grupo fosfato crea suficiente contraste entre los dos grupos que se unen al sitio activo de diferentes enzimas, generalmente catalizando diferentes tipos de reacciones.

Estos dos transportadores de electrones se distinguen fácilmente por las enzimas y participan en reacciones muy diferentes. NADP funciona principalmente con enzimas que catalizan vías anabólicas o biosintéticas. Específicamente, NADPH actuará como agente reductor en estas reacciones, dando como resultado NADP. Estas son vías que convierten sustratos en productos más complicados, usando ATP. El razonamiento detrás de tener dos transportadores de electrones separados para las vías anabólica y catabólica se relaciona con la regulación del metabolismo. La proporción de NADP a NADPH en la célula se mantiene bastante baja, de modo que NADPH está fácilmente disponible como agente reductor; se usa más comúnmente como agente reductor que el NADP como agente oxidante.

MODA

FAD, o dinucleótido de flavina y adenina, es un grupo prostético (una unidad no polipeptídica unida a una proteína que se requiere para funcionar) que consta de un nucleótido de adenina y un mononucleótido de flavina. FAD es un aceptor de electrones único. Su forma completamente reducida es FADH ₂ (conocida como forma de hidroquinona), pero FAD también puede oxidarse parcialmente como FADH ya sea reduciendo FAD u oxidando FADH ₂. Las deshidrogenasas típicamente reducen completamente FAD a FADH ₂. La producción de FADH es rara.

Los átomos de nitrógeno de doble enlace en FAD lo convierten en un buen aceptor al tomar dos átomos de hidrógeno de un sustrato. Debido a que se necesitan dos átomos en lugar de uno, FAD a menudo está involucrado cuando se forma un doble enlace en el sustrato recién oxidado. FAD es único porque se reduce en dos electrones y dos protones, a diferencia de NAD y NADP, que solo toman un protón.

Ejemplos

Implicaciones biológicas

Los aldehídos son el subproducto natural de muchos procesos fisiológicos, además de ser la consecuencia de muchos procesos industriales, liberados al medio ambiente en forma de smog y gases de escape de los vehículos de motor. La acumulación de aldehídos en el cerebro y el pericardio puede ser perjudicial para la salud de una persona, ya que pueden formar aductos con moléculas importantes y provocar su inactivación.

Teniendo en cuenta la prevalencia de los aldehídos, debe haber una enzima para facilitar su oxidación a un compuesto menos volátil. Las aldehídos deshidrogenasas (ALDH) son enzimas dependientes de NAD que funcionan para eliminar los aldehídos tóxicos del cuerpo, principalmente en las mitocondrias de las células. Estas enzimas son en gran parte responsables de la desintoxicación del acetilaldehído, que es un intermediario en el metabolismo del etanol. Se ha demostrado que una mutación en el gen ALDH2 (uno de los 19 genes de la aldehído deshidrogenasa) es lo que conduce a la aparición común en la población de Asia oriental de una cara enrojecida después de consumir alcohol, debido a la acumulación de acetaldehído.Esta acumulación de acetaldehído también causa dolores de cabeza y vómitos (síntomas de resaca) si no se descompone lo suficientemente rápido, otra razón por la cual las personas con deficiencias de acetaldehído DH tienen malas reacciones al alcohol. Es importante destacar que la falta de esta enzima se ha relacionado con un aumento del riesgo de infarto de miocardio, mientras que la activación ha demostrado la capacidad de la enzima para reducir el daño causado por la isquemia.

Se ha demostrado que la desactivación de las aldehído deshidrogenasas es fundamental en los mecanismos de muchos cánceres. Las ALDH funcionan en la diferenciación celular, la proliferación, la oxidación y la resistencia a los medicamentos. Estas enzimas son solo un ejemplo de los muchos tipos diferentes de deshidrogenasas en el cuerpo humano; su amplia gama de funciones y el impacto que tiene su desactivación o mutaciones en procesos celulares cruciales subraya la importancia de todas las deshidrogenasas en el mantenimiento de la homeostasis corporal.

Más ejemplos

• acetaldehído deshidrogenasa
• alcohol deshidrogenasa
• Delta12-ácido graso deshidrogenasa
• glutamato deshidrogenasa (una enzima que puede convertir el glutamato en α-cetoglutarato y viceversa).
• lactato deshidrogenasa (usada para convertir NADH nuevamente en NAD en la glucólisis anaeróbica y en la reacción inversa para producir NADH)
• piruvato deshidrogenasa (una enzima común que alimenta el ciclo TCA al convertir el piruvato en acetil CoA, usando NAD. En esta reacción, el sustrato no solo se oxida sino que también pierde una molécula de dióxido de carbono y se une a la coenzima CoA).
• glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (involucrada en la ruta de las pentosas fosfato, produciendo NADPH)
• gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (involucrada en la glucólisis, usa NAD)
• sorbitol deshidrogenasa

Ejemplos de ciclos de TCA:

• isocitrato deshidrogenasa (usa NAD, también tiene una isoenzima que usa NADP)
• alfa-cetoglutarato deshidrogenasa (usa NAD)
• succinato deshidrogenasa (utiliza FAD)
• malato deshidrogenasa (usa NAD)