Enzimas redox

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Características comunes de los aminoácidos

CARBONO ALFA El carbono alfa, es asimétrico porque sus cuatro enlaces están unidos a grupos funcionales diferentes. El amino, el grupo carboxilo, el grupo radical y a un átomo de hidrógeno. La flecha muestra el carbono asimétrico del aminoácido alanina.

Características comunes de los aminoácidos

GRUPO ALFA AMINO La flecha señala al grupo alfa amino del aminoácido fenilalanina. Cuando los aminoácidos se disuelven en una solución con un pH de 7.0, el Grupo amino (-NH2) acepta un protón adicional (-NH3+) y adquiere una carga positiva.

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Características comunes de los aminoácidos

Grupo carboxilo La flecha señala al grupo carboxilo de la fenilalanina, que está unido al carbono alfa. Este grupo funcional es el que confiere a los aminoácidos su característica de ácidos. Cuando estas moléculas se disuelven en una solución con pH de 2.5 o mayor, el grupo ácido pierde su protón y adquiere una carga negativa.

Cadenas polipeptídicas ESTRUCTURA PRIMARIA T M L T N

T A V G H

P T D S G

L Q R L F

K L N D Q

K G H E F

I H S G Q

V K H V L

I L L D

V G W A

G R K L

G K P S

G K L Y

A K L L

G A H A

ESTRUCTURA TERCIARIA G K E H

L I V A

E T A R

Mioglobina

ESTRUCTURA SECUNDARIA Estructura alfa

Alfa amilasa pancreática

Estructura beta Estructura irrepetible (loops)

Proteína verde fluorescente

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ESTRUCTURA CUATERNARIA

cytochrome oxidase

Grupos prostéticos

4

Alcohol deshidrogenasa EC 1.1.1.1

etanol + NAD+

acetaldehído + NADH

Clasificación de enzimas • Las enzimas catalizan aproximadamente 2.500 reacciones diferentes • Un mismo organismo puede tener distintas isoenzimas que catalizan la misma reacción • Diferentes organismos tienen variantes de enzimas que cumplen la misma función • El número de enzimas es enorme (mayor que 1.000.000) • No se pueden usar nombres comunes, estandarizar

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NOMENCLATURA • Existen dos tipos de nomenclatura: la sistemática y la recomendada. La sistemática utiliza los grupos principales, describe la reacción y sólo se utiliza en revistas y textos científicos. • La recomendada viene a ser la forma abreviada de la sistemática, su uso es común, sobre todo en textos para estudiantes; en ambos casos se tiene en cuenta tanto la especificidad de acción como la de sustrato y el nombre de la enzima termina en el sufijo asa; ejemplo, para la reacción:

• •

El uso de nomenclatura sistemática nos llevaría al nombre siguiente: Lactato:NAD+- oxidorreductasa, o sea que prácticamente describe la reacción. La nomenclatura recomendada tiene en cuenta la especificidad de sustrato, en este caso para el lactato, y la especificidad de acción, tratándose de una deshidrogenación, por tanto el nombre de la enzima seria lactato deshidrogenasa.

Oxidorreductasa Una oxidorreductasa es una enzima que cataliza la transferencia de electrones desde una molécula dadora, el agente reductor a otra aceptora, el agente oxidante. Por ejemplo, una enzima que catalizara esta reacción sería una oxidorreductasa: A– + B → A + B– En el ejemplo, A es el reductor o dador de electrones y B es el oxidante o aceptor. No obstante, en el metabolismo celular las reacciones de óxido-reducción pueden ser menos evidentes; consisten en la reducción u oxidación de grupos funcionales, y suelen implicar a coenzimas que también cambian su estado redox, como pueden ser los pares NAD+/NADH, NADP+/NADPH, FAD/FADH2 o FMN/FMNH2. Por ejemplo, en la reacción catalizada por la enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa: Pi + gliceraldehído-3-fosfato + NAD+ → NADH + H+ + 1,3-bisfosfoglicerato En esta reacción, NAD+ es el oxidante o aceptor de electrones y el gliceraldehído-3-fosfato, el reductor o dador de electrones.

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FUNCIONES Y CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS Clase

Función

Subclases más importantes

1. Oxidorreductasas Reacciones de óxido-reducción 2. Transferasas Transferencia de grupos

1.2. Actúan sobre carbonilos 1.6. Actúan sobre NAD+ o NADP+ 2.1. Grupos de un átomo de C 2.2. Grupos aldehído o cetónicos 2.7. Grupos fosfato 3.2. Enlaces glucosídicos 3.4. Enlaces peptídicos

3. Hidrolasas

Hidrólisis

4. Liasas

Adición a dobles enlaces Isomerización

4.1. Adición a doble enlaces C=C 4.2. Adición a carbonilos

Formación de enlaces

6.1. Enlaces C-O 6.3. Enlaces C-N 6.4. Enlaces C-C

5. Isomerasas 6. Ligasas

Óxidorreductasas

Transferasas

5.1. Racemasas

Deshidrogenasas, oxidasas, peroxidasas, reductasas, monooxigenasas, dioxigenasas C1-Transferasas, glicosiltransferasas, aminotransferasas, fosfotransferasas

Hidrolasas

Esterasas, glicosidasas, peptidasas, amidasas

Liasas (sintasas)

C-C liasas, C-O liasas, C-N liasas, C-S liasas

Isomerasas

Ligasas (sintetasas)

Epimerasas, cis-trans-isomerasas, transferasas intramoleculares C-C ligasas, C-O ligasas, C-N ligasas, C-S ligasas

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EC 1.-.-.- Oxidoreductases. EC 1.2.-.- Acting on the aldehyde or oxo group of donors. EC 1.2.2.- With a cytochrome as acceptor. EC 1.2.2.1 Formate dehydrogenase (cytochrome). EC 1.2.2.2 Pyruvate dehydrogenase (cytochrome). EC 1.2.2.3 Formate dehydrogenase (cytochrome c-553). EC 1.2.2.4 Carbon-monoxide dehydrogenase (cytochrome b-561).

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CATH Protein Structure Classification CATH is a hierarchical classification of protein domain structures, which clusters proteins at four major levels: Class (C), Architecture (A), Topology (T) and Homologous superfamily (H).

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CATH Protein Structure Classification Algunas oxidorreductasas

1a4i

1.10.1060.10

Fumarate Reductase Iron-sulfur Protein; Chain B, domain 2

1.10.620.20

Ribonucleotide Reductase, subunit A

1.10.780.10

Hydroxylamine Oxidoreductase; Chain A, domain 1

1.20.840.10

Methyl-coenzyme M Reductase; Chain B, domain 2

1.20.850.10

Hydroxylamine Oxidoreductase; Chain A, domain 2

1.20.950.10

FUMARATE REDUCTASE CYTOCHROME B SUBUNIT;

1.20.990.10

NADPH-cytochrome p450 Reductase; Chain A, domain 3

2.60.40.420

Cupredoxins - blue copper proteins

3.20.20.100

NADP-dependent oxidoreductase

3.30.365.10

Aldehyde Oxidoreductase; domain 4

3.30.413.10

Sulfite Reductase Hemoprotein, domain 1

3.40.228.10

Dimethylsulfoxide Reductase, domain 2

3.40.430.10

Dihydrofolate Reductase, subunit A

1a4z

1adg

1a7k

1aeu

1a05

10

Flavoproteínas » » » » » » » » » » » » » » » » » » » »

Acetolactato Sintasa Acil-CoA Deshidrogenasa Acil-CoA Deshidrogenasa de Cadena Larga Acil-CoA Oxidasa Factor Inductor de la Apoptosis Butiril-CoA Deshidrogenasa Citocromo-B(5) Reductasa Dihidrolipoamida Deshidrogenasa Flavoproteínas de Transferencia de Electrón Flavodoxina Glutamato-Sintetasa (NADH) Metilenotetrahidrofolato Reductasa (NADPH2) NADH Deshidrogenasa NADPH Oxidasa Nitrato-Reductasa (NADH) Nitrato-Reductasa (NAD(P)H) Nitrato-Reductasa (NADPH) Retinal-Deshidrogenasa Sarcosina-Oxidasa Tiorredoxina Reductasa (NADPH)

Flavoproteins • Oxidases Amino Acid Oxidases, NAD(P)H Oxidase • Monooxygenases p-Hydroxybenzoate Hydroxylase, Phenol Hydroxygenases, Luciferase • Electron Transferases Flavodoxins P-450 Reductases Ferrodoxin-NADP+ Reductases • Flavoprotein Disulfide Reductases Dihydrolipoamide Dehydrogenase, Glutathione Reductase, Thioredoxin Reductase, Mercuric ion reductase • Peroxide Reductases • Complex Flavoproteins Xanthine Oxidase/Dehydrogenase, Trimethylamine Dehydrogenase, Glutamate synthase, Flavocytochrome c-sulfide dehydrogenase

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Estado semiquinona en flavoproteínas • •

• •

• •

Las flavoproteínas participan en un gran número de reacciones de oxido-reducción, tanto en procesos de transducción de energía, como en procesos de biosíntesis y degradación de intermediarios metabólicos. Las flavinas que aparecen comúnmente como grupo prostético de proteínas y enzimas son la riboflavina, el mononucleótido de flavina (FMN) y el dinucleótido de flavina y adenina (FAD). El sitio activo de estos cofactores es el anillo de isoaloxazina, que puede presentarse en tres estados rédox diferentes oxidado, semiquinona (radical) y reducido. Esta característica permite a las flavinas mediar entre procesos donde interviene un electrón con aquellos donde intervienen dos. Debido a su habilidad única de transferir uno o dos electrones, estas proteínas participan en la transferencia de electrones entre nucleótidos de piridina (dos electrones) y metaloproteínas que sólo admiten la transferencia de un electrón a un tiempo. Las flavoproteínas participan también en procesos de transferencia de electrones con otras proteínas que contienen el mismo cofactor. Aunque en algunas enzimas se ha demostrado que la especie semiquinona es un intermediario importante durante el proceso catalítico, todavía quedan algunas dudas sobre su participación en muchos mecanismos de reacción.

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13

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Iron-sulfur centers

2Fe-2S

4Fe-4S

The structure of the soluble fatty acid desaturase has been determined and found to contain two proximal iron atoms per enzyme monomer.

The desaturases are an interesting group of iron oxidases that must be reduced by an electron donor before oxidizing their fatty acid substrates.

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Fatty acid desaturases are nonheme di-iron oxidases that transfer 4 e-, 2 from the fatty acid substrate and 2 from a reductant, to O2 forming 2 H2O. The ER desaturases require NADH, cytochrome b5 and cytochrome b5reductase. The plastid desaturases apparently utilize reduced ferredoxin.

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Cytochrome bc1 complex

Critical subunits of cytochrome oxidase

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Grupos Hemo

Citocromo a

Citocromo b

Citocromo c

Hemo A λmax 600 nm

Hemo B λmax 560 nm

Hemo C λmax 550 nm

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En la cadena respiratoria los electrones pasan a través de una serie de transportadores unidos a la membrana

■ In mitochondria, hydride ions removed from substrates by NAD-linked dehydrogenases donate electrons to the respiratory (electron-transfer) chain, which transfers the electrons to molecular O2, reducing it to H2O. ■ Shuttle systems convey reducing equivalents from cytosolic NADH to mitochondrial NADH. Reducing equivalents from all NAD-linked dehydrogenations are transferred to mitochondrial NADH dehydrogenase (Complex I). ■ Reducing equivalents are then passed through a series of Fe-S centers to ubiquinone, which transfers the electrons to cytochrome b, the first carrier in Complex III. In this complex, electrons take two separate paths through two b-type cytochromes and cytochrome c1 to an Fe-S center. The Fe-S center passes electrons, one at a time, through cytochrome c and intoComplex IV, cytochrome oxidase. This copper-containing enzyme, which also contains cytochromes a and a3, accumulates electrons, then passes them to O2, reducing it to H2O. ■ Some electrons enter this chain of carriers through alternative paths. Succinate is oxidized by succinate dehydrogenase (Complex II), which contains a flavoprotein that passes electrons through several Fe-S centers to ubiquinone. Electrons derived from the oxidation of fatty acids pass to ubiquinone via the electron-transferring flavoprotein. ■ Plants also have an alternative, cyanide-resistant NADH oxidation pathway.

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Oxigenasas, dioxigenenasas y monooxigenasas

Monooxygenases

Dioxygenases

Catálisis por iones metálicos Las metaloenzimas usan metales para sus actividades catalíticas, los cuales pueden: • Unir al sustrato para orientarlo correctamente en la reacción • Asistir reacciones redox a través de cambios reversibles en sus estados de oxidación • Estabilizar o cubrir cargas negativas

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Metales

Metalloproteínas/Metaloenzimas apoproteína + metal apoproteína + metal + grupo prostético Metal 26Fe

29Cu

23V

24Cr 42Mo

Oxidation state

No. of delectrons

(II)

6

(III)

5

(II)

9

(I)

10

(III)

2

(V)

0

(III) (II)

Metal 25Mn

27Co

Oxidation state

No. of delectrons

(II)

5

(III)

4

(IV)

3

(I)

8

(II)

7

(III)

6

3

28Ni

(II)

8

4

30Zn

(II)

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•Mg2+: hidrolasas, clorofilas •V : fijación del N2, oxidasas •Cr : tolerancia a glucosa •Mo : oxidasas •Fe : oxidasas, transferencia de e-, fijación N2 •Mn : oxidasa, estructural •Co : oxidasas •Cu : oxidasas

ET proteins

The metal center

Metalloprotein Structure

Iron-Sulfur Proteins

Cytochromes

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Nitrogenase -Fe Mo -Fe S Iron-sulfur cluster -molypdenum

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tyrosyl radical

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