Dehydrogenaza alkoholowa - Alcohol dehydrogenase
Dehydrogenaza alkoholowa | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identyfikatory | |||||||||
Nr WE | 1.1.1.1 | ||||||||
Nr CAS | 9031-72-5 | ||||||||
Bazy danych | |||||||||
IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
PRIAM | profil | ||||||||
Struktury WPB | RCSB PDB PDBe Suma PDB | ||||||||
Ontologia genów | AmiGO / QuickGO | ||||||||
|
Dehydrogenazy alkoholowe ( ADH ) ( EC 1.1.1.1 ) to grupa enzymów dehydrogenaz , które występują w wielu organizmach i ułatwiają interkonwersję między alkoholami a aldehydami lub ketonami z redukcją dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NAD + ) do NADH. U ludzi i wielu innych zwierząt służą do rozkładania toksycznych alkoholi, a także uczestniczą w tworzeniu użytecznych grup aldehydowych, ketonowych lub alkoholowych podczas biosyntezy różnych metabolitów . W drożdżach , roślinach i wielu bakteriach niektóre dehydrogenazy alkoholowe katalizują odwrotną reakcję w ramach fermentacji, aby zapewnić stałe dostarczanie NAD + .
Ewolucja
Genetyczne dowody z porównań wielu organizmów wykazały, że dehydrogenaza formaldehydowa zależna od glutationu , identyczna z dehydrogenazą alkoholową klasy III (ADH-3/ADH5), jest przypuszczalnie przodkiem całej rodziny ADH. Na początku ewolucji ważna była skuteczna metoda eliminowania zarówno endogennego, jak i egzogennego formaldehydu, a ta zdolność zachowała przodka ADH-3 w czasie. Duplikacja genu ADH-3, a następnie seria mutacji, doprowadziły do ewolucji innych ADH.
Uważa się, że zdolność do wytwarzania etanolu z cukru (która jest podstawą produkcji napojów alkoholowych) pierwotnie rozwinęła się w drożdżach . Chociaż ta cecha nie jest adaptacyjna z energetycznego punktu widzenia, wytwarzając alkohol w tak wysokich stężeniach, że byłby on toksyczny dla innych organizmów, komórki drożdży mogłyby skutecznie wyeliminować konkurencję. Ponieważ gnijące owoce mogą zawierać ponad 4% etanolu, zwierzęta jedzące owoce potrzebowały systemu do metabolizowania egzogennego etanolu. Uważano, że wyjaśnia to zachowanie aktywnego ADH w etanolu u gatunków innych niż drożdże, chociaż obecnie wiadomo, że ADH-3 również odgrywa ważną rolę w sygnalizacji tlenku azotu .
U ludzi sekwencjonowanie genu ADH1B (odpowiedzialnego za wytwarzanie polipeptydu dehydrogenazy alkoholowej ) wykazuje kilka wariantów funkcjonalnych. W jednym występuje SNP (polimorfizm pojedynczego nukleotydu), który prowadzi do reszty histydyny lub argininy w pozycji 47 w dojrzałym polipeptydzie. W wariancie histydyny enzym jest znacznie skuteczniejszy we wspomnianej konwersji. Enzym odpowiedzialny za konwersję aldehydu octowego do octanu pozostaje jednak niezmieniony, co prowadzi do różnic w szybkości katalizy substratu i powoduje gromadzenie się toksycznego aldehydu octowego, powodując uszkodzenie komórek. Zapewnia to pewną ochronę przed nadmiernym spożyciem alkoholu i uzależnieniem od alkoholu (alkoholizm). Różne haplotypy wynikające z tej mutacji są bardziej skoncentrowane w regionach w pobliżu wschodnich Chin, regionu znanego również z niskiej tolerancji i uzależnienia od alkoholu.
Przeprowadzono badanie w celu znalezienia korelacji między rozmieszczeniem alleli a alkoholizmem, a wyniki sugerują, że rozmieszczenie alleli pojawiło się wraz z uprawą ryżu w regionie między 12 000 a 6000 lat temu. W regionach, w których uprawiano ryż, ryż był również fermentowany do etanolu. Doprowadziło to do spekulacji, że zwiększona dostępność alkoholu prowadzi do alkoholizmu i nadużywania, co skutkuje niższą sprawnością reprodukcyjną. Osoby z allelem wariantowym mają niewielką tolerancję na alkohol, co zmniejsza ryzyko uzależnienia i nadużywania. Hipoteza zakłada, że osoby z wariantem histydyny były na tyle wrażliwe na działanie alkoholu, że pojawił się zróżnicowany sukces reprodukcyjny i odpowiednie allele były przekazywane z pokolenia na pokolenie. Klasyczna ewolucja Darwina działałaby w kierunku selekcji przeciwko szkodliwej formie enzymu (wariant Arg) z powodu obniżonego sukcesu reprodukcyjnego osobników niosących allel. Wynikiem byłaby wyższa częstotliwość allelu odpowiedzialnego za enzym w wariancie His w regionach, które były najdłużej poddane presji selekcyjnej. Rozmieszczenie i częstotliwość wariantu His podąża za rozprzestrzenieniem się uprawy ryżu na śródlądowe regiony Azji, z wyższą częstotliwością wariantu His w regionach, które uprawiają ryż najdłużej. Geograficzne rozmieszczenie alleli wydaje się zatem być wynikiem doboru naturalnego przeciwko osobnikom o niższym sukcesie reprodukcyjnym, czyli tym, które nosiły allel wariantu Arg i były bardziej podatne na alkoholizm. Jednak utrzymywanie się wariantu Arg w innych populacjach dowodzi, że efekt nie mógł być silny.
Odkrycie
Pierwsza w historii wyizolowana dehydrogenaza alkoholowa (ADH) została oczyszczona w 1937 roku z Saccharomyces cerevisiae (drożdże piwne). Hugo Theorell i współpracownicy zbadali wiele aspektów mechanizmu katalitycznego dla enzymu ADH z wątroby końskiej. ADH był również jednym z pierwszych enzymów oligomerycznych, w którym określono sekwencję aminokwasową i strukturę trójwymiarową.
Na początku 1960 odkryto go u muszek owocowych z rodzaju Drosophila .
Nieruchomości
Dehydrogenazy alkoholowe obejmują grupę kilku izoenzymów, które katalizują utlenianie pierwszorzędowych i drugorzędowych alkoholi odpowiednio do aldehydów i ketonów, a także mogą katalizować reakcję odwrotną. U ssaków jest to reakcja redoks (redukcja/utlenianie) z udziałem koenzymu dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NAD + ).
Utlenianie alkoholu
Mechanizm działania u ludzi
Kroki
- Wiązanie koenzymu NAD +
- Wiązanie substratu alkoholowego przez koordynację z jonem cynku(II)
- Deprotonacja Jego-51
- Deprotonacja rybozy nikotynamidowej
- Deprotonacja Thr-48
- Deprotonacja alkoholu
- Przeniesienie wodorku z jonu alkoholanowego do NAD + , prowadzące do NADH i związanego z cynkiem aldehydu lub ketonu
- Uwalnianie aldehydu produktu.
Mechanizm w drożdżach i bakteriach jest odwrotnością tej reakcji. Te kroki są wspierane przez badania kinetyczne.
Zaangażowane podjednostki
Substrat jest skoordynowany z cynkiem, a ten enzym ma dwa atomy cynku na podjednostkę. Jednym z nich jest miejsce aktywne, które bierze udział w katalizie. W miejscu aktywnym ligandami są Cys-46, Cys-174, His-67 i jedna cząsteczka wody. Druga podjednostka zajmuje się strukturą. W tym mechanizmie wodorek z alkoholu trafia do NAD + . Struktury krystaliczne wskazują, że His-51 deprotonuje rybozę nikotynamidową, która deprotonuje Ser-48. Wreszcie, Ser-48 deprotonuje alkohol, czyniąc go aldehydem. Z perspektywy mechanistycznej, jeśli enzym dodaje wodorek do powierzchni NAD + , powstały wodór jest włączany do pozycji pro-R. Enzymy, które dodają wodorek do twarzy, są uważane za dehydrogenazy klasy A.
Aktywna strona
Miejsce aktywne ludzkiego ADH1 (PDB:1HSO) składa się z atomu cynku, His-67, Cys-174, Cys-46, Thr-48, His-51, Ile-269, Val-292, Ala-317 i Phe-319. W powszechnie badanej izoformie wątroby końskiej, Thr-48 jest Ser, a Leu-319 jest Phe. Cynk koordynuje substrat (alkohol). Cynk jest koordynowany przez Cys-46, Cys-174 i His-67. Leu-319, Ala-317, His-51, Ile-269 i Val-292 stabilizują NAD + poprzez tworzenie wiązań wodorowych . His-51 i Ile-269 tworzą wiązania wodorowe z alkoholami na rybozie nikotynamidowej. Phe-319, Ala-317 i Val-292 tworzą wiązania wodorowe z amidem NAD + .
Strona cynkowa strukturalna
Dehydrogenazy alkoholowe ssaków mają również strukturalne miejsce cynkowe. Ten jon Zn odgrywa rolę strukturalną i jest kluczowy dla stabilności białka. Struktury katalitycznych i strukturalnych miejsc cynkowych w dehydrogenazie alkoholowej z wątroby końskiej (HLADH) ujawnione w strukturach krystalograficznych, które zostały zbadane obliczeniowo za pomocą chemii kwantowej oraz klasycznych metod dynamiki molekularnej. Strukturalne miejsce cynkowe składa się z czterech blisko rozmieszczonych ligandów cysteinowych (Cys97, Cys100, Cys103 i Cys111 w sekwencji aminokwasowej) umieszczonych w prawie symetrycznym czworościanie wokół jonu Zn. Ostatnie badania wykazały, że oddziaływanie między cynkiem i cysteiną jest regulowane głównie przez wkład elektrostatyczny z dodatkowym wkładem kowalencyjnym w wiązanie.
Rodzaje
Człowiek
U ludzi ADH występuje w wielu formach jako dimer i jest kodowana przez co najmniej siedem różnych genów. Istnieje pięć klas (IV) dehydrogenazy alkoholowej, ale formy wątrobowe stosowane głównie u ludzi to klasa 1. Klasa 1 składa się z podjednostek α, β i γ, które są kodowane przez geny ADH1A , ADH1B i ADH1C . Enzym występuje w dużych ilościach w wątrobie i wyściółce żołądka . To katalizuje utlenianie z etanolu do aldehydu octowego (etanalu)
- CH 3 CH 2 OH + NAD + → CH 3 CHO + NADH + H +
Pozwala to na spożywanie napojów alkoholowych , ale jego ewolucyjnym celem jest prawdopodobnie rozkład alkoholi naturalnie zawartych w pożywieniu lub wytwarzanych przez bakterie w przewodzie pokarmowym .
Innym ewolucyjnym celem może być metabolizm endogennej witaminy A alkoholu ( retinolu ), która wytwarza hormon kwasu retinowego , chociaż jego funkcją może być przede wszystkim eliminacja toksycznych poziomów retinolu.
|
|
|
Dehydrogenaza alkoholowa jest również zaangażowana w toksyczność innych rodzajów alkoholu: na przykład utlenia metanol z wytworzeniem formaldehydu i ostatecznie kwasu mrówkowego . Ludzie mają co najmniej sześć nieznacznie różniących się dehydrogenaz alkoholowych. Każdy jest dimerem (tj. składa się z dwóch polipeptydów ), przy czym każdy dimer zawiera dwa jony cynku Zn2 + . Jeden z tych jonów ma kluczowe znaczenie dla działania enzymu: znajduje się w miejscu katalitycznym i utrzymuje na miejscu grupę hydroksylową alkoholu.
Aktywność dehydrogenazy alkoholowej jest różna u mężczyzn i kobiet, młodych i starszych oraz wśród populacji z różnych części świata. Na przykład młode kobiety nie są w stanie przetwarzać alkoholu w takim samym tempie jak młodzi mężczyźni, ponieważ nie wykazują tak wysokiego poziomu dehydrogenazy alkoholowej, chociaż sytuacja odwrotna dotyczy osób w średnim wieku. Poziom aktywności może zależeć nie tylko od poziomu ekspresji, ale także od zróżnicowania allelicznego populacji.
Ludzkimi genami kodującymi dehydrogenazy alkoholowe klasy II, III, IV i V są odpowiednio ADH4 , ADH5 , ADH7 i ADH6 .
Drożdże i bakterie
W przeciwieństwie do ludzi drożdże i bakterie (z wyjątkiem bakterii kwasu mlekowego i E. coli w pewnych warunkach) nie fermentują glukozy do mleczanu. Zamiast tego fermentują go do etanolu i CO
2. Ogólną reakcję można zobaczyć poniżej:
- Glukoza + 2 ADP + 2 Pi → 2 etanol + 2 CO 2 + 2 ATP + 2 H 2 O
U drożdży i wielu bakterii dehydrogenaza alkoholowa odgrywa ważną rolę w fermentacji: pirogronian powstający w wyniku glikolizy jest przekształcany w aldehyd octowy i dwutlenek węgla , a aldehyd octowy jest następnie redukowany do etanolu przez dehydrogenazę alkoholową o nazwie ADH1. Celem tego ostatniego etapu jest regeneracja NAD + , aby glikoliza wytwarzająca energię mogła być kontynuowana. Ludzie wykorzystują ten proces do produkcji napojów alkoholowych, pozwalając drożdżom fermentować różne owoce lub ziarna. Drożdże mogą produkować i spożywać własny alkohol.
Główna dehydrogenaza alkoholowa w drożdżach jest większa niż u człowieka i składa się z czterech, a nie tylko dwóch podjednostek. Zawiera również cynk w miejscu katalitycznym. Wraz z zawierającymi cynk dehydrogenazami alkoholowymi zwierząt i ludzi te enzymy z drożdży i wielu bakterii tworzą rodzinę „długołańcuchowych” dehydrogenaz alkoholowych.
Drożdże piwne mają również inną dehydrogenazę alkoholową, ADH2 , która wyewoluowała z podwójnej wersji chromosomu zawierającego gen ADH1 . ADH2 jest używany przez drożdże do konwersji etanolu z powrotem do aldehydu octowego i jest wyrażany tylko wtedy, gdy stężenie cukru jest niskie. Posiadanie tych dwóch enzymów umożliwia drożdżom wytwarzanie alkoholu, gdy cukier jest pod dostatkiem (a alkohol ten następnie zabija konkurujące drobnoustroje), a następnie kontynuuje utlenianie alkoholu, gdy cukier i konkurencja znikną.
Rośliny
W roślinach ADH katalizuje taką samą reakcję jak w drożdżach i bakteriach, aby zapewnić stały dopływ NAD + . Kukurydza ma dwie wersje ADH - ADH1 i ADH2, Arabidopsis thaliana zawiera tylko jeden gen ADH. Struktura Arabidopsis ADH jest zachowana w 47% w stosunku do ADH z wątroby końskiej. Jednakże reszty ważne strukturalnie i funkcjonalnie, takie jak siedem reszt, które dostarczają ligandów dla katalitycznych i niekatalitycznych atomów cynku, są zachowane, co sugeruje, że enzymy mają podobną strukturę. ADH jest konstytutywnie wyrażany na niskim poziomie w korzeniach młodych roślin hodowanych na agarze. Jeśli korzeniom brakuje tlenu, ekspresja ADH znacznie wzrasta. Jego ekspresja wzrasta również w odpowiedzi na odwodnienie, niskie temperatury i działanie kwasu abscysynowego i odgrywa ważną rolę w dojrzewaniu owoców, rozwoju siewek i rozwoju pyłku. Różnice w sekwencjach ADH u różnych gatunków zostały wykorzystane do stworzenia filogenezy pokazujących, jak blisko spokrewnione są różne gatunki roślin. Jest to gen idealny do zastosowania ze względu na dogodny rozmiar (2–3 kb długości z sekwencją kodującą ~1000 nukleotydów) i niską liczbę kopii.
zawierające żelazo
Dehydrogenaza alkoholowa zawierająca żelazo | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Identyfikatory | |||||||||
Symbol | Fe-ADH | ||||||||
Pfam | PF00465 | ||||||||
Klan Pfam | CL0224 | ||||||||
InterPro | IPR001670 | ||||||||
PROSITE | PDOC00059 | ||||||||
SCOP2 | 1jqa / zakres / SUPFAM | ||||||||
|
Trzecia rodzina dehydrogenaz alkoholowych, niezwiązana z powyższymi dwoma, to dehydrogenazy zawierające żelazo . Występują w bakteriach i grzybach. W porównaniu do enzymów z powyższych rodzin, enzymy te są wrażliwe na tlen. Członkowie rodziny dehydrogenaz alkoholowych zawierających żelazo obejmują:
- Saccharomyces cerevisiae dehydrogenaza alkoholowa 4 (gen ADH4)
- Zymomonas mobilis dehydrogenaza alkoholowa 2 (gen adhB)
- Escherichia coli propanodiol oksydoreduktazy EC 1.1.1.77 (gen fuko), przyjmuje się enzym zaangażowany w metabolizm w fukozy , i które wydaje się również zawierać żelaza jonów (S).
- Clostridium acetobutylicum NADPH - i NADH - zależne dehydrogenazy butanolowe EC 1.1.1.- (geny adh1, bdhA i bdhB), enzymy, które wykazują aktywność z użyciem butanolu i etanolu jako substratów .
- AdhE E. coli , enzym zależny od żelaza, który ma trzy różne aktywności: dehydrogenazę alkoholową, dehydrogenazę acetaldehydową (acetylowanie) EC 1.2.1.10 i dezaktywazę liazy pirogronianowo-mrówczanowej.
- Bakteryjna dehydrogenaza glicerolowa EC 1.1.1.6 (gen gldA lub dhaD).
- Clostridium kluyveri NAD-zależna dehydrogenaza 4-hydroksymaślanowa (4hbd) EC 1.1.1.61
- Citrobacter freundii i Klebsiella pneumoniae dehydrogenaza 1,3-propanodiolu EC 1.1.1.202 (gen dhaT)
- Bacillus methanolicus zależne od NAD metanol dehydrogenazy EC 1.1.1.244
- E. coli i Salmonella typhimurium białko utylizacji etanoloaminy eutG.
- Hipotetyczne białko E. coli yiaY.
Inne rodzaje
Kolejna klasa dehydrogenaz alkoholowych należy do chinoenzymów i wymaga kofaktorów chinoidowych (np. pirolochinolinochinonu, PQQ) jako związanych z enzymem akceptorów elektronów. Typowym przykładem tego typu enzymu jest dehydrogenaza metanolowa bakterii metylotroficznych.
Aplikacje
W biotransformacji dehydrogenazy alkoholowe są często wykorzystywane do syntezy enancjomerycznie czystych stereoizomerów chiralnych alkoholi. Często można osiągnąć wysoką chemio- i enancjoselektywność. Jednym z przykładów jest dehydrogenaza alkoholowa z Lactobacillus brevis ( Lb ADH), którą opisano jako wszechstronny biokatalizator. Wysoka chemospecyficzność została potwierdzona również w przypadku substratów prezentujących dwa potencjalne miejsca redoks. Na przykład aldehyd cynamonowy zawiera zarówno alifatyczne wiązanie podwójne, jak i funkcję aldehydową. W przeciwieństwie do konwencjonalnych katalizatorów, dehydrogenazy alkoholowe mogą selektywnie oddziaływać tylko na te ostatnie, dając wyłącznie alkohol cynamonowy .
W ogniwach paliwowych, dehydrogenazy alkoholowe można stosować do katalizowania rozkładu paliwa etanol ogniwa paliwowego . Naukowcy z Saint Louis University stosowali węgla obsługiwane dehydrogenazę alkoholową z poli ( metylenu zielony ) jako anodę, z Nafion membrany, w celu uzyskania około 50 μ / cm 2 .
W 1949 E. Racker zdefiniował jedną jednostkę aktywności dehydrogenazy alkoholowej jako ilość, która powoduje zmianę gęstości optycznej o 0,001 na minutę w standardowych warunkach oznaczenia . Ostatnio bardziej powszechna jest międzynarodowa definicja jednostki enzymatycznej (UE): jedna jednostka dehydrogenazy alkoholowej przekształci 1,0 μmol etanolu w aldehyd octowy na minutę przy pH 8,8 w temperaturze 25 °C.
Znaczenie kliniczne
Alkoholizm
Przeprowadzono badania wykazujące, że zmiany ADH, które wpływają na metabolizm etanolu, mają wpływ na ryzyko uzależnienia od alkoholu. Najsilniejszy efekt jest spowodowany zmianami w ADH1B, które zwiększają szybkość, z jaką alkohol jest przekształcany w aldehyd octowy. Jeden taki wariant występuje najczęściej u osobników z Azji Wschodniej i Bliskiego Wschodu, inny u osobników z Afryki. Oba warianty zmniejszają ryzyko alkoholizmu, ale mimo to ludzie mogą stać się alkoholikami. Naukowcy wstępnie wykryli kilka innych genów powiązanych z alkoholizmem i wiedzą, że do odnalezienia musi być jeszcze wiele innych. Trwają badania w celu zidentyfikowania genów i ich wpływu na alkoholizm.
Uzależnienie od narkotyków
Uzależnienie od narkotyków to kolejny problem związany z ADH, który według badaczy może być powiązany z alkoholizmem. Jedno konkretne badanie sugeruje, że z uzależnieniem od narkotyków jest związanych siedem genów ADH, jednak konieczne są dalsze badania. Uzależnienie od alkoholu i innych narkotyków może mieć pewne wspólne czynniki ryzyka, ale ponieważ uzależnienie od alkoholu często współwystępuje z innymi uzależnieniami od narkotyków, związek ADH z innymi uzależnieniami od narkotyków może nie być przyczynowy.
Zatrucie
Fomepizol , lek, który kompetycyjnie hamuje dehydrogenazę alkoholową, może być stosowany w przypadku ostrej toksyczności metanolu lub glikolu etylenowego . Zapobiega to konwersji metanolu lub glikolu etylenowego do jego toksycznych metabolitów (takich jak kwas mrówkowy , formaldehyd lub glikolan ). Ten sam efekt jest czasami osiągany z etanolem , ponownie poprzez kompetycyjne hamowanie ADH.
Metabolizm leków
Lek hydroksyzyna jest rozkładany na aktywny metabolit cetyryzynę przez dehydrogenazę alkoholową. Inne leki z grupami alkoholowymi mogą być metabolizowane w podobny sposób, o ile przeszkoda steryczna nie zapobiega przedostawaniu się alkoholu do miejsca aktywnego.
Zobacz też
- Dehydrogenaza alkoholowa (NAD(P)+)
- Dehydrogenaza aldehydowa
- Oksydoreduktaza
- Zawartość alkoholu we krwi dla tempa metabolizmu
Bibliografia
Zewnętrzne linki
- PDBsum ma powiązania z trójwymiarowymi strukturami różnych dehydrogenaz alkoholowych zawartych w Protein Data Bank
- ExPASy zawiera linki do sekwencji dehydrogenazy alkoholowej w Swiss-Prot , do przeszukiwania literatury Medline na temat enzymu oraz do wpisów w innych bazach danych.
- PDBe-KB zawiera przegląd wszystkich informacji o strukturze dostępnych w PDB dla dehydrogenazy alkoholowej 1A.
- PDBe-KB zawiera przegląd wszystkich informacji o strukturze dostępnych w PDB dla dehydrogenazy alkoholowej 1B.
- PDBe-KB zawiera przegląd wszystkich informacji o strukturze dostępnych w PDB dla dehydrogenazy alkoholowej 1C.
- PDBe-KB zawiera przegląd wszystkich informacji o strukturze dostępnych w PDB dla dehydrogenazy alkoholowej 4.
- PDBe-KB zawiera przegląd wszystkich informacji o strukturze dostępnych w PDB dla dehydrogenazy alkoholowej klasy-3.