Información

¿Cómo es que la reducción de BH2 a BH4 solo necesita una molécula de NADPH?

¿Cómo es que la reducción de BH2 a BH4 solo necesita una molécula de NADPH?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

La dihidrofolato reductasa (DHFR) reduce la dihidrobiopterina (BH2) a tetrahidrobiopterina (BH4). Alguien me dijo que esta reacción necesita solo una molécula de NADPH (no estoy seguro de si esto es correcto), es decir, NADPH proporciona un átomo de hidruro y se convierte en NADP +.

¿Alguien podría explicarme cómo es esto posible? ¿Cómo se puede hacer la conversión de BH2 -> BH4 con una molécula de NADPH, mientras que espero dos (para dar dos átomos de hidrógeno)?


La respuesta corta es que en la reducción de BH2 a BH4 por la dihidofolato reductasa no solo se transfiere un ion hidruro (un protón más un electrón) de NADPH a BH2, pero el producto también recoge un protón del solvente: N5 de BH4 está protonado.

$$ ce {BH2 + 2e- + 2H + <=> BH4 etiqueta {1}} $$

Enzimáticamente (ver EC 1.5.1.34):

$$ ce {NADPH + BH2 + H + <=> BH4 + NADP + etiqueta {2}} $$

Así, la reducción de BH2 a BH4 involucra 2 electrones y 2 protones. NADPH dona 2 electrones y 1 protón (como hidruro), formando un nuevo enlace carbono-hidrógeno. El solvente representa el otro protón. La situación es muy similar a la reacción de la alcohol deshidrogenasa (discutida a continuación).

La reducción de biopterina hasta tetrahidrobiopterina por la dihidrofolato reductasa es una reducción de 4 electrones y requiere 2 NAD (P) H.

Fondo

Hay un par de puntos sobre la oxidoreducción enzimática ligada a NADP, y sobre la oxidoreducción en general, que posiblemente necesiten aclaración.

Las enzimas ligadas a NAD (P), casi invariablemente (y quizás siempre), catalizan la transferencia estereoespecífica directa de un ion hidruro (un protón más dos electrones) como una sola entidad entre el cofactor y el aceptor de nicotinamida.

Esta afirmación probablemente necesite una explicación. El hecho de que las reacciones de oxidorreductasa ligadas a NADP sean consistentes con la transferencia de un ion hidruro es una de las grandes contribuciones de Westheimer a la enzimología (ver aquí). En muchos casos, esto da como resultado la formación de un enlace carbono-hidrógeno.

En segundo lugar, la transferencia de hidruros es estereoespecífica. Sorprendentemente, las oxido-reductasas ligadas a NADP distinguen entre los dos hidrógenos en C4 de NAD (P) H. Este es un ejemplo de proquiralidad (el efecto Ogston en el ciclo de Krebs es otro).

Para simplificar, los dos hidrógenos en C4 se llaman HA y HB. El trabajo de Westheimer, Vennesland y colaboradores mostró que las enzimas ligadas a NAD (P) se pueden dividir en dos clases: las que transfieren HA del cofactor al sustrato (A-deshidrogenasas esteroespecíficas) y las que transfieren HB (B-deshidrogenasas estereoespecíficas).

Ahora se sabe que la esterespecificidad de la transferencia de hidruro es uno de los rasgos conservados más evolutivamente de las oxidoreductasas ligadas a NAD (P). Las enzimas que se puede demostrar que descienden de un ancestro común mediante el análisis de la secuencia de aminoácidos muestran invariablemente la misma estereoespecificidad de transferencia de hidruro (la levadura y la deshidrogenasa de alcohol de hígado de caballo es un ejemplo) 1†.

Además, la transferencia de hidruro muestra una aparente fidelidad estereoquímica absoluta: nunca se transfiere el hidruro "incorrecto". Transferencia de HB por lactato deshidrogenasa, que es A-estereoespecífica, no se pudo detectar experimentalmente, por ejemplo (ver aquí).

You (1985) ha publicado una gran revisión de este aspecto de la bioquímica de la deshidrogenasa, disponible en formato pdf desde aquí. (Puede encontrar una revisión anterior aquí)

Finalmente, unas breves palabras sobre la reducción de la oxidación en general. La oxidación es la pérdida de electrones, la reducción es la ganancia de electrones. Una ionización no es ni una oxidación ni una reducción, y tampoco lo es hidratación / deshidratación. Esto, por supuesto, es "algo básico", pero a veces parece causar confusión. Cuando se trata de reacciones de oxidación-reducción, podemos agregar tantos protones como queramos, o eliminar tantos protones como queramos, y esto puede ser importante estequiométricamente, pero la ionización no cambia el estado de oxidación de una molécula.

Un ejemplo ilustrativo: alcohol deshidrogenasa

La alcohol deshidrogenasa (EC 1.1.1.1) cataliza la siguiente reacción, la reducción de 2 electrones de acetaldehído a etanol con NADH como donante de hidruro:

$$ ce {Etanol + NAD + <=> Acetaldehído + NADH + H + tag {3}} $$

Este diagrama muy agradable, tomado de la conferencia nobel de Cornforth, Asimetría y acción enzimática, ilustra todos los puntos mencionados anteriormente.

  • El hidrógeno etiquetado con el asterisco es HA. La transferencia estereoespecífica de hidruro a acetaldehído da como resultado la formación de un nuevo enlace carbono-hidrógeno. Si el asterisco representa deuterio o tritio, el resultado es etanol deuterado o radiomarcado.

  • Si, en cambio, HB está deuterado o tritiado, el resultado es NAD deuterado o tritiado+, sin transferencia de etiqueta al producto.

  • La formación del alcohol implica "recoger un protón" (del disolvente).

  • La transferencia de hidruro acetaldehído también es estereoespecífica. El hidruro se transfiere estereoespecíficamente a una de las caras del grupo carbonilo plano. Estoy ignorando este aspecto aquí (pero vea la conferencia de Cornforth) 2†.

  • Para ser muy pedante, HA se llama más correctamente hidrógeno pro-4R, y HB es el hidrógeno pro-4S.

(En el diagrama original de Cornforth, la H+ quedó fuera).

La pregunta específica planteada por el PO

¿Cómo se puede hacer la conversión de BH2 -> BH4 con una molécula de NADPH, mientras que espero dos (para dar dos átomos de hidrógeno)?

Como se indicó anteriormente, BH4 (tetrahidrobiopterina) contiene un par más de electrones que BH2 (dihidrobiopterina), pero (como en la reacción de alcohol deshidrogenasa) hay dos protones involucrados. El hecho de que la reducción implique la transferencia de hidruros explica una. El otro se extrae del solvente.

Esto se ilustra en el diagrama a continuación, donde el punto clave es que el átomo de carbono en C6 ahora tiene un nuevo enlace carbono-hidrógeno. Este enlace representa 2 electrones más 1 protón. Pero el átomo de nitrógeno en C5 también ha recogido un protón.

(Debemos tener mucho cuidado al tratar con la reducción del anillo de pteridina debido a la forma quininoide (ver aquí). Es por eso que primero elegí la alcohol deshidrogenasa como ejemplo ilustrativo, y aquí estoy ignorando tales complicaciones).

El OP elige un sustrato interesante para DHFR, un no conjugado pteridina. El sustrato 'más habitual', por supuesto, es la pteridina conjugada, dihidrofolato (FH2). Aunque el DHFR cataliza la transformación de BH2 a BH4 , la enzima generalmente asociada con esta transformación es la dihidropteridina reductasa (EC 1.5.1.34).

Un último punto. Tanto la dihidrofolato reductasa cromosómica como la plasmídica, aunque no están relacionadas desde un punto de vista evolutivo, son ambas A-estereoespecíficas con respecto a la transferencia de hidruro de NAD (P) H.

(El diagrama anterior fue modificado de uno que se encuentra en Internet. El original se puede encontrar aquí)

Oxidorreductasas de cuatro electrones

La mayoría de las oxidorreductasas unidas a NAD (P) catalizan una reducción de dos electrones que involucra solo una molécula de cofactor de nicotinamida.

Algunos, como la dihidrofolato reductasa, pueden catalizar dos reducciones secuenciales de 2 electrones, donde el primer producto de 2 electrones se libera en solución antes de que se reduzca al producto final mediante un segundo encuentro con la enzima. (En el caso de DHFR, la reducción de folato a dihidrofolato es una reducción de dos electrones, y la reducción de dihidrofolato a tetrahidrofolato es otra reducción de 2 electrones).

Algunas oxido-reductasas, sin embargo, catalizan una oxido-reducción de cuatro electrones donde el producto intermedio no es necesariamente liberado en solución. Estas enzimas se denominan oxido-reductasas de cuatro electrones y son muy raras. Han sido revisados ​​por Feingold & Franzen, (1982).

Un ejemplo es la histidinol deshidrogenasa (EC 1.1.1.23), que cataliza la reducción de un alcohol a un ácido (siendo el aldehído el producto intermedio de reducción de 2 electrones).

$$ ce {L-histidinol + 2 NAD + + H2O = L-histidina + 2 NADH + 3 H + tag {4}} $$

Otro ejemplo es la HMG-CoA reductasa (EC 1.1.1.34), una enzima clave del metabolismo del colesterol (que es inhibida por las estatinas). En este caso, la enzima reduce formalmente un sustrato al nivel de oxidación de un ácido carboxílico (pero "activado" por el enlace de tioéster a la coenzima A) hasta el alcohol.

$$ ce {Mevalonato + CoA + 2 NADP + = 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA + 2 NADPH + 2 H + tag {5}} $$

Un tercer ejemplo es la UDP-D-glucosa 6-deshidrogenasa (EC 1.1.1.22), que cataliza la reducción de la C6 grupo alcohol de UDP-glucosa hasta el ácido.

$$ ce {UDP-D-glucosa + 2 NAD + + H2O = UDP-D-glucuronato + 2 NADH + 2 H +} $$

Por lo tanto, es posible una oxidación de cuatro electrones enlazada con NAD (P). Pero tales reacciones son relativamente raras. La clave de la bioquímica de las enzimas ligadas a NAD (P), IMO, es darse cuenta de que se transfiere un hidruro como una sola entidad (y esa transferencia de hidruro es estereoespecífica).

Notas al pie

  1. Alcohol deshidrogenasa de Drosophila no está relacionado con las enzimas de levadura y del hígado de caballo desde una perspectiva evolutiva, y es B-estereoespecífico.
  2. El mismo Cornforth que supuestamente dijo que si la estructura β-lactámica de la penicilina era correcta, abandonaría la química y cultivaría hongos (ver aquí).