Гідроксилювання

Гідроксиляції - це хімічні реакції, при яких гідроксильні групи вводяться в молекулу. У рамках метаболізму ферменти каталізують гідроксилювання. Відповідні ферменти називають гідроксилазами.

Що таке гідроксилювання?

Гідроксиляції дуже поширені в хімії та біохімії. Загалом, гідроксилювання означає введення в молекулу однієї або декількох гідроксильних груп. Гідроксильна група складається з одного водню та одного атома кисню. Наприклад, каталітичне окислення метану утворює спиртовий метанол. Каталітичне додавання молекули води до етену утворює етанол.

У біохімічних процесах додавання гідроксильної групи каталітично підтримується так званими гідроксилазами. Наприклад, за допомогою гідроксилаз певні амінокислоти можуть перетворюватися на важливі активні компоненти організму. Наприклад, фенілаланін перетворюється в тирозин, а тирозин в ДОФА шляхом гідроксилювання. Відповідними ферментами є фенілаланін гідроксилаза та тирозин гідроксилаза. Триптофан перетворюється на 5-гідрокситриптофан за допомогою триптофанової гідроксилази.

У сполучній тканині амінокислоти пролін та лізин перетворюються в гідроксипролін та гідроксилізин шляхом гідроксилювання. Там гідроксильовані амінокислоти забезпечують міцне зшивання колагену, а отже, і міцність сполучної тканини.

Іншою важливою реакцією гідроксилювання є перетворення прогестерону в кортикостероїди.

Функція та завдання

Гідроксиляції є дуже важливими біохімічними реакціями. Міцність сполучної тканини залежить від реакцій гідроксилювання. Амінокислоти пролін та лізин присутні у високій концентрації колагену сполучної тканини. Обидва сполуки можуть бути легко забезпечені додатковою гідроксильною групою з використанням гідроксилаз. Гідроксилювання відбувається всередині білка. Гідроксипролін утворюється з проліну, а гідроксилізин з лізину. Ензими пролін гідроксилази та лізин гідроксилази відповідають за це за допомогою аскорбінової кислоти (вітамін С). Гідроксильні групи утворюють точки приєднання залишків цукру або вони забезпечують зв'язок окремих молекул білка. Ця мережа призводить до міцної і гнучкої сполучної тканини.

Іншою реакцією гідроксилювання є перетворення фенолаланіну амінокислоти в тирозин, який важливий для еукаріотичних організмів, оскільки високі концентрації фенілаланіну в клітині шкідливі. Тирозин далі гідроксилюється до L-DOPA. L-ДОФА - катехоламін і попередник дофаміну. Важливі амінокислоти остаточно перетворюються в нейротрансмітери через гідроксилювання.

Це ж стосується гідроксилювання амінокислоти триптофану до 5-гідрокситриптофану. Ця сполука, в свою чергу, являє собою попередник серотоніну, іншого нейромедіатора та тканинного гормону.

Нарешті, статевий гормон прогестерон перетворюється на кортикостероїди шляхом гідроксилювання, які, як гормони, виконують різноманітні завдання в організмі. До них належать глюкокортикоїдний кортизол та мінералокортикоїд альдостерон. Ці гормони синтезуються за рахунок гідроксилювання прогестерону та перетворення гідроксильних груп у кето- або альдегідні групи.

В цілому гідроксиляції відповідають за накопичення різних біологічних агентів в організмі. Порушення цих реакцій може призвести до серйозних проблем зі здоров’ям.

Хвороби та недуги

Багато гідроксиляції є важливими проміжними стадіями в обміні речовин, якщо в процесі гідроксилювання виникають порушення, наступні етапи реакції також пригнічуються. Внаслідок таких розладів можуть виникнути значні порушення здоров’я. Наприклад, пригнічення гідроксилізу проліну та лізину в колагені сполучної тканини призводить до слабкості сполучної тканини. У деяких випадках сполучна тканина може бути розтягнута. Шкіра може провисати, а внутрішні органи вже не оптимально захищені сполучною тканиною.

Мутацій багато, але кожна дуже рідкісна, що призводить до дефектів у структурі ферментів лізин-гідроксилази або пролін-гідроксилази. Кожен генетичний дефект проявляє різні симптоми. Однак у них спільного є слабкість сполучної тканини. Інші симптоми різноманітні.

Шкурка - це набута слабкість сполучної тканини, яка виникає при нестачі вітаміну С. Вітамін С або аскорбінова кислота підтримують дві згадані вище гідроксилази. Якщо організм не забезпечений вітаміном С, лізин та пролін гідроксилаза навряд чи можуть підтримувати гідроксилювання лізину та проліну. Сполучна тканина, як і інші тканини в організмі, піддається постійним процесам нарощування та розпаду. При тривалому нестачі вітаміну С створюється слабка сполучна тканина, оскільки гідроксилювання більше не працює. Існує багато серйозних симптомів з частими інфекціями, виснаженням, погано загоєними ранами, шкірними проблемами, порушенням м’язів, кровоточивістю ясен, високою температурою та багато іншого. Однак ці симптоми зникають після прийому вітаміну С.

Ще одне захворювання, пов’язане з порушеннями гідроксиляції, - фенілкетонурія. При фенілкетонурії амінокислота фенілаланін вже не може бути достатньо зруйнованою, оскільки фермент фенілаланін гідроксилаза (ПАХ) відсутній або не працює. Фенілаланін шкідливий у більш високих концентраціях. Спостерігається порушення розвитку мозку. Зростає також зростання черепа. Результатом є інтелектуальна вада. Дієта з низьким вмістом фенілаланіну в дитячому віці може запобігти появі захворювання.

Якщо тирозин не може бути гідроксильований через відсутність тирозин гідроксилази (TYH), розвивається дуже рідкісний синдром Сегави. Нейромедіатор дофамін більше не виробляється у достатній кількості. Симптоми - це нестабільна хода та подібні до Паркінсона симптоми.

Якщо триптофан більше не може бути гідроксильований через відсутність ферменту триптофан гідроксилази, утворюється занадто мало серотоніну. Депресія поширена. Нарешті, порушення гідроксилювання прогестерону можуть призвести до захворювань, пов’язаних з гормонами.