Wie benötigt die BH2-Reduktion zu BH4 nur ein NADPH-Molekül?

Die kurze Antwort lautet, dass bei der Reduktion von BH ₂ zu BH ₄ durch Dihydrofolatreduktase nicht nur ein Hydridion (ein Proton plus ein Elektron) von NADPH auf BH ₂ übertragen wird, sondern das Produkt auch ein Proton aus dem Lösungsmittel aufnimmt: N ₅ von BH ₄ ist protoniert.

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

Enzymisch (siehe EC 1.5.1.34 ):

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

Somit sind an der Reduktion von BH ₂ zu BH ₄ 2 Elektronen und 2 Protonen beteiligt. NADPH gibt 2 Elektronen und 1 Proton (als Hydrid) ab und bildet eine neue Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung. Das Lösungsmittel macht das andere Proton aus. Die Situation ist der Alkohol-Dehydrogenase-Reaktion (unten diskutiert) sehr ähnlich.

Die Reduktion von Biopterin bis hin zu Tetrahydrobiopterin durch Dihydrofolatreduktase ist eine 4-Elektronen-Reduktion und erfordert 2 NAD(P)H.

Hintergrund

Es gibt ein paar Punkte zur NADP-verknüpften enzymatischen Oxido-Reduktion und zur Oxido-Reduktion im Allgemeinen, die möglicherweise geklärt werden müssen.

NAD(P)-verknüpfte Enzyme katalysieren fast immer (und vielleicht immer) den direkten, stereospezifischen Transfer eines Hydridions (ein Proton plus zwei Elektronen) als einzelne Einheit zwischen dem Nicotinamid-Cofaktor und dem Akzeptor.

Diese Aussage ist wahrscheinlich erklärungsbedürftig. Die Tatsache, dass NADP-verknüpfte Oxidoreduktase-Reaktionen mit der Übertragung eines Hydrid-Ions übereinstimmen, ist einer der großen Beiträge von Westheimer zur Enzymologie (siehe hier ). In vielen Fällen führt dies zur Bildung einer Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung.

Zweitens ist der Hydridtransfer stereospezifisch. Erstaunlicherweise unterscheiden NADP-gebundene Oxido-Reduktasen zwischen den beiden Wasserstoffatomen am C ₄ von NAD(P)H. Dies ist ein Beispiel für Prochiralität (der Ogston-Effekt im Krebszyklus ist ein weiteres).

Der Einfachheit halber werden die beiden Wasserstoffatome an C ₄ H _A und H _B genannt . Die Arbeit von Westheimer , Vennesland und Mitarbeitern zeigte, dass NAD(P)-verknüpfte Enzyme in zwei Klassen eingeteilt werden können: solche, die HA vom Cofaktor auf das Substrat übertragen ( _A -sterospezifische Dehydrogenasen) und solche, die H _B übertragen (B- stereospezifische Dehydrogenasen).

Es ist nun bekannt, dass die Stereospezifität des Hydridtransfers eines der evolutionär am besten erhaltenen Merkmale von NAD(P)-verknüpften Oxido-Reduktasen ist. Enzyme, von denen durch Aminosäuresequenzanalyse gezeigt werden kann, dass sie von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen, zeigen ausnahmslos die gleiche Stereospezifität des Hydridtransfers (Alkoholdehydrogenase aus Hefe und Pferdeleber ist ein Beispiel) ^1† .

Außerdem zeigt die Hydridübertragung eine offensichtliche absolute Stereochemietreue: Das „falsche“ Hydrid wird niemals übertragen. Die Übertragung von H _B durch die A-stereospezifische Laktatdehydrogenase konnte beispielsweise experimentell nicht nachgewiesen werden (siehe hier ).

Eine großartige Übersicht über diesen Aspekt der Dehydrogenase-Biochemie wurde von You (1985) veröffentlicht, die hier als pdf verfügbar ist . (Eine frühere Rezension finden Sie hier )

Abschließend noch ein kurzes Wort zur Oxido-Reduktion im Allgemeinen. Oxidation ist die Abgabe von Elektronen, Reduktion ist die Aufnahme von Elektronen. Eine Ionisation ist weder eine Oxidation noch eine Reduktion und auch keine Hydratation/Dehydratation. Dies ist natürlich „Grundwissen“, scheint aber manchmal Verwirrung zu stiften. Bei Oxido-Reduktionsreaktionen können wir so viele Protonen hinzufügen, wie wir wollen, oder so viele Protonen entfernen, wie wir wollen, und das mag stöchiometrisch wichtig sein, aber die Ionisierung ändert nicht den Oxidationszustand eines Moleküls.

Ein veranschaulichendes Beispiel – Alkoholdehydrogenase

Alkoholdehydrogenase ( EC 1.1.1.1 ) katalysiert folgende Reaktion, die 2-Elektronen-Reduktion von Acetaldehyd zu Ethanol mit NADH als Hydriddonor:

$$\ce{Ethanol + NAD+ <=> Acetaldehyde + NADH + H+ \tag{3}}$$

Dieses sehr schöne Diagramm aus Cornforths Nobelvortrag Asymmetry and Enzyme Action veranschaulicht alle oben genannten Punkte.

• Der mit dem Stern markierte Wasserstoff ist H _A . Die stereospezifische Übertragung von Hydrid auf Acetaldehyd führt zur Bildung einer neuen Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung. Wenn das Sternchen Deuterium oder Tritium darstellt, ist das Ergebnis deuteriertes oder radioaktiv markiertes Ethanol.

• Wenn stattdessen H _B deuteriert oder tritiiert ist, ist das Ergebnis deuteriertes oder tritiiertes NAD ⁺ , ohne dass die Markierung auf das Produkt übertragen wird.

• Die Bildung des Alkohols beinhaltet die „Aufnahme eines Protons“ (aus dem Lösungsmittel).

• Die Übertragung von Hydrid-Acetaldehyd ist ebenfalls stereospezifisch. Das Hydrid wird stereospezifisch auf eine der Seiten der planaren Carbonylgruppe übertragen. Ich ignoriere diesen Aspekt hier (aber siehe Cornforths Vortrag ) ^2† .

• Um sehr pedantisch zu sein, H _A wird richtiger als Pro-4R-Wasserstoff bezeichnet, und H _B ist Pro-4S-Wasserstoff.

(In Cornforths ursprünglichem Diagramm wurde das H ⁺ weggelassen).

Die spezifische Frage des OP

Wie kann die Umwandlung von BH2 -> BH4 mit einem NADPH-Molekül erfolgen, während ich zwei erwarte (um zwei Wasserstoffatome zu ergeben)?

Wie oben angegeben, enthält BH ₄ ( Tetrahydrobiopterin ) ein Elektronenpaar mehr als BH ₂ ( Dihydobiopterin ), aber (wie bei der Alkohol-Dehydrogenase-Reaktion) sind zwei Protonen beteiligt. Die Tatsache, dass die Reduktion einen Hydrid-Transfer beinhaltet, trägt zum einen bei. Der andere wird aus dem Lösungsmittel aufgenommen.

Dies wird im Diagramm unten veranschaulicht, wo der Schlüsselpunkt darin besteht, dass das Kohlenstoffatom an C ₆ jetzt eine neue Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung hat. Diese Bindung macht 2 Elektronen plus 1 Proton aus. Aber auch das Stickstoffatom an C ₅ hat ein Proton aufgenommen.

(Bei der Reduktion des Pteridinrings müssen wir wegen der Chininoidform sehr vorsichtig sein (siehe hier ). Deshalb habe ich zunächst die Alkoholdehydrogenase als anschauliches Beispiel gewählt und ignoriere solche Komplikationen hier).

Das OP wählt ein interessantes Substrat für DHFR, ein unkonjugiertes Pteridin. Das „üblichere“ Substrat ist natürlich das konjugierte Pteridin, Dihydrofolat (FH ₂ ). Obwohl DHFR die Transformation von BH ₂ zu BH ₄ katalysiert , ist das normalerweise mit dieser Transformation assoziierte Enzym Dihydropteridinreduktase ( EC 1.5.1.34 ).

Ein letzter Punkt. Sowohl die chromosomale als auch die Plasmid -Dihydrofolatreduktase sind, obwohl aus evolutionärer Sicht nicht verwandt, beide A-stereospezifisch in Bezug auf den Hydridtransfer von NAD(P)H.

(Das obige Diagramm wurde von einem im Internet gefundenen modifiziert. Das Original finden Sie hier )

Vier-Elektronen-Oxidoreduktasen

Die meisten NAD(P)-verknüpften Oxidoreduktasen katalysieren eine Zwei-Elektronen-Reduktion, an der nur ein Molekül Nicotinamid-Cofaktor beteiligt ist.

Einige, wie die Dihydrofolatreduktase, können zwei aufeinanderfolgende 2-Elektronen-Reduktionen katalysieren, wobei das erste 2-Elektronen-Produkt in die Lösung freigesetzt wird, bevor es durch eine zweite Begegnung mit dem Enzym zum Endprodukt reduziert wird. (Im Fall von DHFR ist die Reduktion von Folat zu Dihydrofolat eine Zwei-Elektronen-Reduktion, und die Reduktion von Dihydrofolat zu Tetrahydrofolat ist eine weitere Zwei-Elektronen-Reduktion).

Einige Oxido-Reduktasen katalysieren jedoch eine Vier-Elektronen-Oxido-Reduktion, bei der das Zwischenprodukt nicht unbedingt in Lösung freigesetzt wird. Solche Enzyme werden Vier-Elektronen-Oxidoreduktasen genannt und sind sehr selten. Sie wurden von Feingold & Franzen (1982) rezensiert.

Ein Beispiel ist die Histidinol-Dehydrogenase ( EC 1.1.1.23 ), die die Reduktion eines Alkohols zu einer Säure katalysiert (wobei der Aldehyd das intermediäre 2-Elektronen-Reduktionsprodukt ist).

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

Ein weiteres Beispiel ist die HMG-CoA-Reduktase ( EC 1.1.1.34 ), ein Schlüsselenzym des Cholesterinstoffwechsels (das durch Statine gehemmt wird). In diesem Fall reduziert das Enzym ein Substrat formal auf der Oxidationsstufe einer Carbonsäure (aber durch die Thiolesterbindung an Coenzym A „aktiviert“) bis hin zum Alkohol.

$$\ce{Mevalonate + CoA + 2 NADP+ = 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA + 2 NADPH + 2 H+ \tag{5}}$$

Ein drittes Beispiel ist die UDP-D-Glucose-6-Dehydrogenase ₍ EC 1.1.1.22 ), die die Reduktion der C6 -Alkoholgruppe von UDP-Glucose bis zur Säure katalysiert.

$$\ce{UDP-D-glucose + 2 NAD+ + H2O = UDP-D-glucuronate + 2 NADH + 2 H+}$$

Somit ist eine Vier-Elektronen-NAD(P)-verknüpfte Oxido-Reduktion möglich. Aber solche Reaktionen sind relativ selten. Der Schlüssel zur Biochemie der NAD(P)-verknüpften Enzyme, IMO, ist die Erkenntnis, dass ein Hydrid als einzelne Einheit übertragen wird (und dass die Hydridübertragung stereospezifisch ist).

Fußnoten

1. Die Alkoholdehydrogenase aus Drosophila ist aus evolutionärer Sicht nicht mit Hefe- und Pferdeleberenzymen verwandt und B-stereospezifisch .
2. Derselbe Cornforth , der angeblich sagte, dass er die Chemie aufgeben und Pilze züchten würde, wenn die β-Lactam-Struktur von Penicillin korrekt wäre (siehe hier ).