نازعة الهيدروجين

في بعض الأحيان، سيبدو التفاعل المحفز بواسطة نازعة الهيدروجين على النحو التالي: AH + B ⁺ ↔ A ⁺ + BH عند نقل الهيدريد .

يمثل A الركيزة التي ستتأكسد، بينما يمثل B مستقبل الهيدريد. لاحظ كيف أن A يكتسب شحنة موجبة عند انتقال الهيدريد من A إلى B؛ وذلك لأن الإنزيم قد أخذ إلكترونين من الركيزة لاختزال المستقبل إلى BH.

لا ينتج عن تفاعل محفز بواسطة إنزيم نازع الهيدروجين دائمًا اكتساب شحنة موجبة. ففي بعض الأحيان، يفقد الركيزة بروتونًا. وقد يترك ذلك إلكترونات حرة على الركيزة تنتقل لتكوين رابطة ثنائية. ويحدث هذا غالبًا عندما تكون الكحول هي الركيزة؛ فعندما يغادر البروتون الموجود على ذرة الأكسجين، تُستخدم الإلكترونات الحرة الموجودة على ذرة الأكسجين لتكوين رابطة ثنائية، كما هو موضح في أكسدة الإيثانول إلى أسيتالدهيد بواسطة إنزيم نازع الهيدروجين الكحولي في الصورة على اليمين. ^{[ 2 ]}

ثمة احتمال آخر يتمثل في دخول جزيء ماء إلى التفاعل، مساهماً بأيون هيدروكسيد في المادة المتفاعلة وبروتون في الوسط المحيط. والنتيجة النهائية على المادة المتفاعلة هي إضافة ذرة أكسجين واحدة. ويُلاحظ هذا، على سبيل المثال، في أكسدة الأسيتالدهيد إلى حمض الأسيتيك بواسطة إنزيم نازع هيدروجين الأسيتالدهيد ، وهي خطوة في استقلاب الإيثانول وفي إنتاج الخل.

في الحالة المذكورة أعلاه، نقل إنزيم نازع الهيدروجين أيون الهيدريد مع إطلاق بروتون (H ⁺⁾ ، ولكن يمكن لإنزيمات نازع الهيدروجين أيضًا نقل ذرتي هيدروجين باستخدام FAD كمستقبل للإلكترونات. ويُمكن تمثيل ذلك بالمعادلة: AH₂ ₊ B ↔ A + BH₂ _. عادةً ما تتشكل رابطة ثنائية بين الذرتين اللتين أُخذت منهما ذرات الهيدروجين، كما هو الحال في إنزيم نازع هيدروجين السكسينات . وقد نُقلت ذرتا الهيدروجين، مع إلكتروناتهما، إلى الناقل أو الناتج الآخر.

يكمن الفرق بين الفئات الفرعية من الأكسيدوريدوكتازات التي تحفز تفاعلات الأكسدة في مستقبلات الإلكترون الخاصة بها. ^{[ 5 ]}

يسهل التمييز بين نازعة الهيدروجين والأكسيداز عند النظر إلى مستقبل الإلكترونات. يقوم الأكسيداز أيضاً بإزالة الإلكترونات من الركيزة ، ولكنه يستخدم الأكسجين فقط كمستقبل للإلكترونات. أحد هذه التفاعلات هو: AH₂ ₊ O₂ _↔ A + _{H₂O₂ .}

_{أحيانًا ،} يبدو تفاعل الأكسيداز على النحو التالي: 4A + 4H⁺ ⁺ O₂ ↔ 4A⁺ ⁺ 2H₂O _. في هذه الحالة، يأخذ الإنزيم الإلكترونات من الركيزة، ويستخدم البروتونات الحرة لاختزال الأكسجين، تاركًا الركيزة بشحنة موجبة. والناتج هو الماء، بدلًا من بيروكسيد الهيدروجين كما هو موضح أعلاه. ومن الأمثلة على الأكسيداز الذي يعمل بهذه الطريقة المركب الرابع في سلسلة نقل الإلكترون ( ETC ). ^{[ 6 ]}

تجدر الإشارة إلى أن الأكسيدازات تنقل عادةً ما يعادل جزيء الهيدروجين (H₂ ₎ ، ويكون المستقبل هو الأكسجين. وبالمثل، يستخدم البيروكسيداز ( وهو فئة فرعية أخرى من الأكسيدوريدوكتازات) بيروكسيد الهيدروجين ( _H₂O₂ ) كمستقبل للإلكترونات، بدلاً من الأكسجين ^{. [} _٢ ^]

إن NAD ⁺ ، أو ثنائي نيوكليوتيد الأدينين والنيكوتيناميد، هو ثنائي نيوكليوتيد يتكون من نيوكليوتيدين. أحدهما مجموعة أدينين، والآخر نيكوتيناميد. لاختزال هذا الجزيء، يجب إضافة ذرة هيدروجين وإلكترونين إلى حلقة الكربون السداسية للنيكوتيناميد؛ يُضاف إلكترون إلى ذرة الكربون المقابلة لذرة النيتروجين الموجبة الشحنة، مما يُسبب إعادة ترتيب الروابط داخل الحلقة لمنح النيتروجين المزيد من الإلكترونات، فيفقد شحنته الموجبة نتيجة لذلك. أما الإلكترون الآخر فيُنتزع من ذرة هيدروجين أخرى، تاركًا أيون الهيدروجين في المحلول. ^{[ 5 ] [ 7 ]}

اختزال NAD ⁺ : NAD ⁺ + 2H ⁺ + 2e ⁻ ↔ NADH + H ⁺

يُستخدم NAD ⁺ في الغالب في مسارات الهدم، مثل تحلل الجلوكوز ، التي تُفكك جزيئات الطاقة لإنتاج ATP. وتُحافظ الخلية على نسبة عالية جدًا من NAD ^{+ إلى NADH، مما يجعله متاحًا بسهولة للعمل كعامل مؤكسد. [ 7 ] [ 8 ]}

يختلف NADP ^{+ عن NAD +} فقط في إضافة مجموعة فوسفات إلى حلقة الكربون الخماسية للأدينوسين. لا تؤثر إضافة الفوسفات على قدرة الناقل على نقل الإلكترونات. تُحدث مجموعة الفوسفات تباينًا كافيًا بين المجموعتين بحيث ترتبطان بالموقع النشط لإنزيمات مختلفة، مما يحفز عمومًا أنواعًا مختلفة من التفاعلات. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

يمكن تمييز هذين الناقلين الإلكترونيين بسهولة بواسطة الإنزيمات، ويشاركان في تفاعلات مختلفة تمامًا. يعمل NADP ⁺ بشكل أساسي مع الإنزيمات التي تحفز مسارات البناء، أو التخليق الحيوي. ^{[ 9 ]} وعلى وجه التحديد، يعمل NADPH كعامل مختزل في هذه التفاعلات، مما ينتج عنه NADP ⁺ . هذه مسارات تحول الركائز إلى منتجات أكثر تعقيدًا، باستخدام ATP. يكمن السبب وراء وجود ناقلين إلكترونيين منفصلين لمسارات البناء والهدم في تنظيم عملية الأيض. ^{[ 7 ]} تُحافظ الخلية على نسبة منخفضة نسبيًا من NADP ⁺ إلى NADPH، بحيث يكون NADPH متاحًا بسهولة كعامل مختزل؛ ويُستخدم بشكل أكثر شيوعًا كعامل مختزل من استخدام NADP ⁺ كعامل مؤكسد. ^{[ 8 ]}

الفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD ) هو مجموعة بروتينية (وحدة غير ببتيدية مرتبطة ببروتين ضرورية لوظيفته) تتكون من نيوكليوتيد أدينين ونيوكليوتيد فلافين أحادي. ^{[ 10 ]} يُعدّ FAD مستقبلًا فريدًا للإلكترونات. شكله المختزل بالكامل هو FADH2 ₍ المعروف بصيغة الهيدروكينون)، ولكن يمكن أيضًا أكسدة FAD جزئيًا إلى FADH2 إما عن طريق اختزال FAD أو أكسدة FADH2 _. [ ^{11 ] عادةً} ما تختزل نازعات الهيدروجين FAD بالكامل إلى FADH2 _. إنتاج FADH2 نادر.

تُسهّل ذرات النيتروجين المرتبطة بروابط ثنائية في جزيء FAD عملية استقباله لذرتي هيدروجين من الركيزة. ولأنه يستقبل ذرتين بدلاً من ذرة واحدة، غالباً ما يشارك FAD في تكوين الرابطة الثنائية في الركيزة المؤكسدة حديثاً. ^{[ 12 ]} يتميز FAD بكونه يُختزل بواسطة إلكترونين وبروتونين ، على عكس كل من NAD ⁺ وNADP اللذين يستقبلان بروتوناً واحداً فقط.

تُعدّ الألدهيدات نواتج ثانوية طبيعية للعديد من العمليات الفيزيولوجية، فضلاً عن كونها نتيجة للعديد من العمليات الصناعية، وتُطلق في البيئة على شكل ضباب دخاني وعوادم سيارات. ويمكن أن يكون تراكم الألدهيدات في الدماغ وغشاء التامور ضارًا بصحة الإنسان، إذ يمكنها تكوين مركبات إضافية مع جزيئات مهمة، مما يؤدي إلى تعطيلها. ^{[ 13 ]}

نظراً لانتشار الألدهيدات، لا بد من وجود إنزيم يُسهّل أكسدتها إلى مركبات أقل تطايرًا. إنزيمات نازعة هيدروجين الألدهيد (ALDH) هي إنزيمات تعتمد على NAD ^+، وتعمل على إزالة الألدهيدات السامة من الجسم، وتحديدًا في ميتوكوندريا الخلايا. هذه الإنزيمات مسؤولة بشكل كبير عن إزالة سمية أسيتالدهيد، وهو مركب وسيط في استقلاب الإيثانول. وقد ثبت أن طفرة في جين ALDH2 (أحد جينات نازعة هيدروجين الألدهيد التسعة عشر) هي السبب وراء شيوع احمرار الوجه بعد تناول الكحول لدى سكان شرق آسيا، نتيجة لتراكم الأسيتالدهيد. ^{[ 14 ]} كما يُسبب تراكم الأسيتالدهيد الصداع والقيء ( أعراض صداع الكحول ) إذا لم يتم هضمه بسرعة كافية، وهذا سبب آخر لظهور ردود فعل سلبية تجاه الكحول لدى الأشخاص الذين يعانون من نقص في إنزيمات نازعة هيدروجين الأسيتالدهيد. ^{[ 15 ]} من المهم الإشارة إلى أن نقص هذا الإنزيم قد ارتبط بزيادة خطر الإصابة باحتشاء عضلة القلب ، في حين أظهر تنشيطه قدرة الإنزيم على تقليل الضرر الناجم عن نقص التروية . ^{[ 13 ]}

ثبت أن تعطيل إنزيمات نازعة هيدروجين الألدهيد يلعب دورًا محوريًا في آليات العديد من أنواع السرطان. وتؤدي هذه الإنزيمات وظائف مهمة في تمايز الخلايا، وتكاثرها، وأكسدتها، ومقاومتها للأدوية. ^{[ 16 ]} وتُعد هذه الإنزيمات مثالًا واحدًا فقط من بين العديد من أنواع نازعات الهيدروجين المختلفة في جسم الإنسان؛ إذ يُبرز نطاق وظائفها الواسع، وتأثير تعطيلها أو حدوث طفرات فيها على العمليات الخلوية الحيوية، أهمية جميع نازعات الهيدروجين في الحفاظ على استتباب الجسم.

• نازعة هيدروجين الأسيتالدهيد
• نازعة هيدروجين الكحول
• نازعة هيدروجين الأحماض الدهنية دلتا 12
• نازعة هيدروجين الغلوتامات (إنزيم يمكنه تحويل الغلوتامات إلى ألفا- كيتوغلوتارات والعكس صحيح).
• نازعة هيدروجين اللاكتات (تستخدم لتحويل NADH مرة أخرى إلى NAD ⁺ في عملية تحلل الجلوكوز اللاهوائي، وفي التفاعل العكسي لإنتاج NADH)
• نازعة هيدروجين البيروفات (إنزيم شائع يغذي دورة حمض الستريك عن طريق تحويل البيروفات إلى أسيتيل CoA ، باستخدام NAD ⁺ . في هذا التفاعل، لا يتأكسد الركيزة فحسب، بل يفقد أيضًا جزيء ثاني أكسيد الكربون ، ويرتبط بالإنزيم المساعد CoA.)
• إنزيم نازع هيدروجين الجلوكوز-6-فوسفات (يشارك في مسار فوسفات البنتوز ، وينتج NADPH)
• إنزيم جليسرالدهيد-3-فوسفات ديهيدروجينيز (يشارك في عملية تحلل الجلوكوز ، ويستخدم NAD ⁺ )
• نازعة هيدروجين السوربيتول

أمثلة على دورة حمض الستريك :

• إنزيم نازع هيدروجين الأيزوسيترات (يستخدم NAD ⁺ ، وله أيضًا إنزيم متماثل يستخدم NADP)
• إنزيم ألفا-كيتوغلوتارات ديهيدروجينيز (يستخدم NAD ⁺ )
• إنزيم نازع هيدروجين السكسينات (يستخدم FAD)
• نازعة هيدروجين الماليت (تستخدم NAD ⁺ )