Hydroksylacja

Hydroksylacje to reakcje chemiczne, w których grupy hydroksylowe są wprowadzane do cząsteczki. W ramach metabolizmu enzymy katalizują hydroksylację. Odpowiednie enzymy nazywane są hydroksylazami.

Co to jest hydroksylacja?

Hydroksylacje są bardzo powszechne w chemii i biochemii. Ogólnie hydroksylacja oznacza wprowadzenie jednej lub więcej grup hydroksylowych do cząsteczki. Grupa hydroksylowa składa się z jednego atomu wodoru i jednego atomu tlenu. Między innymi w wyniku katalitycznego utleniania metanu powstaje alkohol metanol. Katalityczne dodanie cząsteczki wody do etenu prowadzi do powstania etanolu.

W procesach biochemicznych dodanie grupy hydroksylowej wspomagane jest katalitycznie przez tak zwane hydroksylazy. Na przykład za pomocą hydroksylaz niektóre aminokwasy można przekształcić w ważne składniki aktywne w organizmie. Na przykład fenyloalanina jest przekształcana w tyrozynę i tyrozynę z kolei w DOPA poprzez hydroksylację. Odpowiednie enzymy to hydroksylaza fenyloalaniny i hydroksylaza tyrozynowa. Tryptofan jest przekształcany w 5-hydroksytryptofan za pomocą hydroksylazy tryptofanu.

W tkance łącznej aminokwasy prolina i lizyna są przekształcane w hydroksyprolinę i hydroksylizynę poprzez hydroksylację. Aminokwasy hydroksylowane zapewniają silne usieciowanie kolagenu, a tym samym wytrzymałość tkanki łącznej.

Inną ważną reakcją hydroksylacji jest konwersja progesteronu do kortykosteroidów.

Funkcja i zadanie

Hydroksylacje to bardzo ważne reakcje biochemiczne. Siła tkanki łącznej zależy od reakcji hydroksylacji. Aminokwasy prolina i lizyna występują w dużych stężeniach w kolagenie tkanki łącznej. Oba związki można łatwo zaopatrzyć w dodatkową grupę hydroksylową przy użyciu hydroksylaz. Hydroksylacja zachodzi w białku. Hydroksyprolina powstaje z proliny i hydroksylizyny z lizyny. Odpowiadają za to enzymy hydroksylaza prolinowa i hydroksylaza lizynowa przy pomocy kwasu askorbinowego (witamina C). Grupy hydroksylowe tworzą punkty przyłączenia dla reszt cukrowych lub zapewniają połączenie poszczególnych cząsteczek białka. Ta sieć skutkuje silną i elastyczną tkanką łączną.

Inną reakcją hydroksylacji jest konwersja aminokwasu fenyloalaniny do tyrozyny, która jest ważna dla organizmów eukariotycznych, ponieważ wysokie stężenia fenyloalaniny w komórce są szkodliwe. Tyrozyna jest dalej hydroksylowana do L-DOPA. L-DOPA jest katecholaminą i prekursorem dopaminy. Ważne aminokwasy są ostatecznie przekształcane w neuroprzekaźniki poprzez hydroksylację.

To samo dotyczy hydroksylacji aminokwasu tryptofanu do 5-hydroksytryptofanu. Ten związek z kolei jest prekursorem serotoniny, innego neuroprzekaźnika i hormonu tkankowego.

Wreszcie, progesteron, hormon płciowy, jest przekształcany w kortykosteroidy poprzez hydroksylację, które jako hormony wykonują w organizmie różnorodne zadania. Należą do nich kortyzol glukokortykoidowy i mineralokortykoid aldosteron. Hormony te są syntetyzowane poprzez hydroksylację progesteronu i konwersję grup hydroksylowych w grupy ketonowe lub aldehydowe.

Ogólnie rzecz biorąc, hydroksylacje są odpowiedzialne za gromadzenie się różnych czynników biologicznych w organizmie. Zaburzenia tych reakcji mogą prowadzić do poważnych problemów zdrowotnych.

Choroby i dolegliwości

Wiele hydroksylacji stanowi ważne etapy pośrednie w metabolizmie.Jeśli wystąpią zakłócenia hydroksylacji, kolejne etapy reakcji są również hamowane. W wyniku takich zaburzeń może dojść do znacznego uszczerbku na zdrowiu. Na przykład zahamowanie hydroksylizy proliny i lizyny w kolagenie tkanki łącznej prowadzi do osłabienia tkanki łącznej. W niektórych przypadkach tkanka łączna może zostać nadmiernie rozciągnięta. Skóra może zwisać, a narządy wewnętrzne nie są już optymalnie chronione przez tkankę łączną.

Istnieje wiele mutacji, aczkolwiek bardzo rzadkich, które prowadzą do defektów w strukturze enzymów hydroksylazy lizynowej lub hydroksylazy prolinowej. Każda wada genetyczna ma inne objawy. Jednak to, co ich łączy, to słabość tkanki łącznej. Pozostałe objawy są zróżnicowane.

Szkorbut to nabyte osłabienie tkanki łącznej. Szkorbut występuje, gdy brakuje witaminy C. Witamina C lub kwas askorbinowy wspomagają dwie wymienione powyżej hydroksylazy. Jeśli organizm nie jest zaopatrywany w witaminę C, lizyna i hydroksylaza proliny z trudem mogą wspierać hydroksylację lizyny i proliny. Tkanka łączna, podobnie jak inne tkanki organizmu, podlega ciągłym procesom gromadzenia się i rozpadu. W przypadku długotrwałego braku witaminy C powstaje słaba tkanka łączna, ponieważ hydroksylacja już nie działa. Istnieje wiele poważnych objawów, takich jak częste infekcje, wyczerpanie, słabo gojące się rany, problemy skórne, rozpad mięśni, krwawienie z dziąseł, wysoka gorączka i wiele innych. Jednak objawy te ustępują po podaniu witaminy C.

Inną chorobą związaną z zaburzeniami hydroksylacji jest fenyloketonuria. W fenyloketonurii aminokwas fenyloalaniny nie może już być w wystarczającym stopniu rozkładany, ponieważ enzym hydroksylazy fenyloalaniny (WWA) jest albo nieobecny, albo działa nieprawidłowo. Fenyloalanina jest szkodliwa w wyższych stężeniach. Występuje upośledzenie rozwoju mózgu. Zatrzymuje się również wzrost czaszki. Rezultatem jest niepełnosprawność intelektualna. Dieta o niskiej zawartości fenyloalaniny w dzieciństwie może zapobiec wystąpieniu choroby.

Jeśli tyrozyny nie można hydroksylować z powodu braku hydroksylazy tyrozyny (TYH), rozwija się bardzo rzadki zespół Segawy. Neuroprzekaźnik dopamina nie jest już produkowany w wystarczających ilościach. Objawy to chwiejny chód i objawy podobne do objawów choroby Parkinsona.

Jeśli tryptofan nie może być dłużej hydroksylowany z powodu braku enzymu hydroksylazy tryptofanu, powstaje zbyt mało serotoniny. Depresja jest powszechna. Wreszcie, zaburzenia hydroksylacji progesteronu mogą prowadzić do chorób związanych z hormonami.