Введение

Класс ферментов
Дегидрогеназа — это фермент, принадлежащий к группе оксидоредуктаз, который окисляет субстрат, восстанавливая акцептор электронов, обычно NAD+/NADP+ или флавин-кофермент, такой как FAD или FMN. Как и все катализаторы, они катализируют как прямые, так и обратные реакции, и в некоторых случаях это имеет физиологическое значение: например, алкогольдегидрогеназа катализирует окисление этанола до ацетальдегида у животных, но в дрожжах она катализирует образование этанола из ацетальдегида.

Классификация IUBMB

Оксидоредуктазы, ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, составляют класс EC 1 в классификации IUBMB фермент-катализируемых реакций. Систематическое название оксидоредуктазы – "донор:акцептор оксидоредуктаза", но, когда это возможно, предпочтительнее использовать название "донор-дегидрогеназа".

Катализированные реакции

Дегидрогеназы окисляют субстрат, передавая водород электронному акцептору, наиболее распространенными из которых являются NAD+ или FAD. Это следует рассматривать как окисление субстрата, при котором субстрат либо теряет атомы водорода, либо приобретает атом кислорода (из воды). Название "дегидрогеназа" происходит от того, что она облегчает удаление (де-) водорода (hydrogen) и является ферментом (ase). Реакции дегидрогеназы чаще всего протекают в двух формах: перенос гидрид-иона и высвобождение протона (часто с участием воды в качестве второго реагента), а также перенос двух атомов водорода.

Передача гидрида и высвобождение протона

Иногда реакция, катализируемая дегидрогеназой, выглядит следующим образом: AH + B+ ⇌ A+ + BH при переносе гидрида. A представляет собой субстрат, который окисляется, а B – акцептор гидрида. Обратите внимание, что при переносе гидрида от A к B, A приобретает положительный заряд; это происходит потому, что фермент отнимает 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 оставлять свободные электроны на субстрате, которые переходят в двойную связь. Это часто происходит, когда субстратом является спирт; когда протон на кислороде отщепляется, свободные электроны на кислороде используются для образования двойной связи, как видно на примере окисления этанола до ацетальдегида, осуществляемого алкогольдегидрогеназой, как показано на изображении справа. Другой вариант заключается в том, что в реакцию вступает молекула воды, внося ион гидроксида в субстрат и протон в окружающую среду. Итоговый результат для субстрата – присоединение одного атома кислорода. Это наблюдается, например, при окислении ацетальдегида до уксусной кислоты ацетальдегиддегидрогеназой, что является этапом метаболизма этанола и производства уксуса.

Передача двух водородов

В вышеуказанном случае дегидрогеназа перенесла гидрид, высвобождая протон, H+, но дегидрогеназы также могут переносить два атома водорода, используя FAD в качестве акцептора электронов. Это можно изобразить следующим образом: AH2 + B ↔ A + BH2. Обычно двойная связь образуется между двумя атомами, от которых были удалены атомы водорода, как, например, в случае сукцинатдегидрогеназы. Два атома водорода, вместе со своими электронами, переходят к переносчику или другому продукту реакции.

Определение реакции дегидрогеназы

Различие между подклассами оксидоредуктаз, катализирующих окислительные реакции, заключается в их электронных акцепторах. Дегидрогеназы и оксидазы легко различить, если учитывать электронный акцептор. Оксидаза также удаляет электроны из субстрата, но использует в качестве акцептора только кислород. Одной из таких реакций является: AH2 + O2 ↔ A + H2O2. Иногда реакция оксидазы выглядит следующим образом: 4A + 4H+ + O2 ↔ 4A+ + 2H2O. В этом случае фермент принимает электроны от субстрата и использует свободные протоны для восстановления кислорода, оставляя субстрат с положительным зарядом. Продуктом является вода, а не перекись водорода, как показано выше. Примером оксидазы, функционирующей подобным образом, является комплекс IV в цепи переноса электронов (ETC). Следует отметить, что оксидазы обычно переносят эквивалент дигидрогена (H2), а акцептором является диоксиген. Аналогично, пероксидаза (другой подкласс оксидоредуктаз) использует пероксид (H2O2) в качестве электронного акцептора, а не кислород.

НАДП+

NADP+ отличается от NAD+ лишь добавлением фосфатной группы к 5-членному углеродному кольцу аденозина. Добавление фосфата не влияет на способность носителя переносить электроны. Фосфатная группа создает достаточный контраст между этими двумя молекулами, что позволяет им связываться с активными центрами различных ферментов, обычно катализирующих разные типы реакций. Эти два переносчика электронов легко распознаются ферментами и участвуют в существенно различных реакциях. NADP+ преимущественно функционирует с ферментами, катализирующими анаболические, или биосинтетические пути. FAD – уникальный акцептор электронов. Его полностью восстановленная форма – FADH2 (известная как гидрохинонная форма), но FAD также может частично окисляться до FADH либо путем восстановления FAD, либо окисления FADH2. Дегидрогеназы обычно полностью восстанавливают FAD до FADH2. Образование FADH встречается редко. Наличие двойных связей с атомами азота в FAD делает его хорошим акцептором двух атомов водорода от субстрата. Поскольку для этого требуется два атома, а не один, FAD часто участвует в реакциях, приводящих к образованию двойной связи в окисленном субстрате. FAD уникален тем, что восстанавливается двумя электронами и двумя протонами, в отличие от NAD+ и NADP+, которые принимают только один протон.

Биологические последствия

Алдегиды являются естественным побочным продуктом многих физиологических процессов, а также следствием множества промышленных процессов, поступающих в окружающую среду в виде смога и выхлопных газов автомобилей. Накопление альдегидов в мозге и перикарде может быть вредным для здоровья человека, поскольку они способны образовывать аддукты с важными молекулами, вызывая их инактивацию. Накопление ацетальдегида также вызывает головную боль и рвоту (симптомы похмелья), если он не расщепляется достаточно быстро – еще одна причина, по которой люди с дефицитом ацетальдегиддегидрогеназы плохо переносят алкоголь. Важно отметить, что недостаток этого фермента связан с повышенным риском инфаркта миокарда, а его активация демонстрирует способность уменьшать повреждения, вызванные ишемией. Деактивация альдегиддегидрогеназ играет важную роль в механизмах развития многих видов рака. ALDH участвуют в дифференцировке клеток, пролиферации, окислении и развитии лекарственной устойчивости. Эти ферменты – лишь один пример множества различных типов дегидрогеназ в организме человека; широкий спектр их функций и влияние, которое деактивация или мутации оказывают на ключевые клеточные процессы, подчеркивает важность всех дегидрогеназ в поддержании гомеостаза организма.