Dehydrogenaza alkoholowa
| 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 | ||||||||
| PRYM | profil | ||||||||
| Struktury PDB | RCSB PDB PDBe PDB suma | ||||||||
| Ontologia genów | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
Dehydrogenazy alkoholowe ( ADH ) ( EC 1.1.1.1 ) to grupa enzymów dehydrogenaz , które występują w wielu organizmach i umożliwiają interkonwersję między alkoholami i aldehydami lub ketonami z redukcją dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NAD + ) do NADH. U ludzi i wielu innych zwierząt służą do rozkładu alkoholi, które w przeciwnym razie są toksyczne, a także uczestniczą w wytwarzaniu 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 stały dopływ NAD + .
Ewolucja
Dowody genetyczne z porównań wielu organizmów wykazały, że dehydrogenaza formaldehydowa zależna od glutationu , identyczna z dehydrogenazą alkoholową klasy III (ADH-3/ADH5), jest przypuszczalnie przodkiem enzymu dla całej rodziny ADH. Na wczesnym etapie ewolucji ważna była skuteczna metoda eliminowania zarówno endogennego, jak i egzogennego formaldehydu, a ta zdolność pozwoliła zachować przodka ADH-3 w czasie. Duplikacja genu ADH-3, po której nastąpiła seria mutacji, doprowadziła do ewolucji innych ADH.
, że zdolność do produkcji etanolu z cukru (który jest podstawą wytwarzania napojów alkoholowych) początkowo wyewoluowała w drożdżach . Chociaż ta cecha nie jest adaptacyjna z energetycznego punktu widzenia, wytwarzając alkohol w tak wysokich stężeniach, że byłyby toksyczne dla innych organizmów, komórki drożdży mogłyby skutecznie wyeliminować ich konkurencję. Ponieważ gnijące owoce mogą zawierać ponad 4% etanolu, zwierzęta jedzące owoce potrzebowały systemu do metabolizowania egzogennego etanolu. Uważano, że wyjaśnia to zachowanie aktywnego etanolu ADH u gatunków innych niż drożdże, chociaż obecnie wiadomo, że ADH-3 odgrywa również główną rolę w sygnalizacji tlenku azotu .
U ludzi sekwencjonowanie genu ADH1B (odpowiedzialnego za produkcję polipeptydu dehydrogenazy alkoholowej ) wykazuje kilka wariantów funkcjonalnych. W jednym jest SNP (polimorfizm pojedynczego nukleotydu), który prowadzi do reszty histydyny lub argininy w pozycji 47 dojrzałego polipeptydu. W wariancie z histydyną enzym jest znacznie skuteczniejszy we wspomnianej konwersji. Enzym odpowiedzialny za konwersję aldehydu octowego do octanu pozostaje jednak nienaruszony, co prowadzi do różnic w szybkości katalizy substratu i powoduje nagromadzenie toksycznego aldehydu octowego, powodując uszkodzenie komórek. Zapewnia to pewną ochronę przed nadmiernym spożyciem alkoholu i uzależnieniem od alkoholu (alkoholizmem). Różne haplotypy powstałe w wyniku tej mutacji są bardziej skoncentrowane w regionach w pobliżu wschodnich Chin, regionie znanym również z niskiej tolerancji na alkohol i uzależnienia.
Przeprowadzono badanie w celu znalezienia korelacji między rozmieszczeniem alleli a alkoholizmem, a wyniki sugerują, że rozmieszczenie alleli powstało wraz z uprawą ryżu w regionie między 12 000 a 6 000 lat temu. W regionach, w których uprawiano ryż, ryż był również fermentowany do etanolu. Doprowadziło to do spekulacji, że zwiększona dostępność alkoholu doprowadziła do alkoholizmu i nadużywania, co skutkuje niższą sprawnością reprodukcyjną. Osoby z wariantem allelu mają niewielką tolerancję na alkohol, co zmniejsza ryzyko uzależnienia i nadużyć. Hipoteza zakłada, że osoby z wariantem enzymu histydyny były wystarczająco wrażliwe na działanie alkoholu, aby osiągnąć zróżnicowany sukces reprodukcyjny, a odpowiednie allele były przekazywane z pokolenia na pokolenie. Klasyczny Ewolucja darwinowska działałby w celu selekcji szkodliwej formy enzymu (wariant Arg) z powodu obniżonego sukcesu reprodukcyjnego osobników niosących allel. Rezultatem byłaby wyższa częstotliwość allelu odpowiedzialnego za enzym w wariancie His w regionach, które najdłużej znajdowały się pod presją selekcyjną. Rozmieszczenie i częstotliwość wariantu His wynika z rozprzestrzeniania się uprawy ryżu na śródlądowe regiony Azji, z wyższymi częstotliwościami wariantu His w regionach, w których ryż uprawiano najdłużej. Geograficzne rozmieszczenie alleli wydaje się zatem być wynikiem doboru naturalnego w stosunku do osobników o niższym sukcesie reprodukcyjnym, a mianowicie tych, które były nosicielami wariantu allelu Arg i były bardziej podatne na alkoholizm. Jednak utrzymywanie się wariantu Arg w innych populacjach dowodzi, że efekt nie mógł być silny.
Odkrycie
Pierwsza 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 także jednym z pierwszych enzymów oligomerycznych, dla których określono jego sekwencję aminokwasową i trójwymiarową strukturę.
Na początku 1960 roku odkryto go u muszek owocowych z rodzaju Drosophila .
Nieruchomości
Dehydrogenazy alkoholowe obejmują grupę kilku izozymów , które katalizują utlenianie pierwszorzędowych i drugorzędowych alkoholi odpowiednio do aldehydów i ketonów, a także mogą katalizować reakcję odwrotną. U ssaków jest to redoks (redukcja/utlenianie) z udziałem koenzymu dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NAD + ).
Utlenianie alkoholu
Mechanizm działania u ludzi
Kroki
- Wiązanie koenzymu NAD +
- Wiązanie substratu alkoholowego przez koordynację z jonem cynku(II).
- Deprotonacja His-51
- Deprotonowanie rybozy nikotynamidu
- Deprotonacja Thr-48
- Deprotonowanie alkoholu
- Przeniesienie wodorków z jonu alkoholanu na NAD + , prowadzące do NADH i aldehydu lub ketonu związanego z cynkiem
- Uwolnienie produktu aldehydowego.
Mechanizm u drożdży i bakterii jest odwrotnością tej reakcji. Kroki te są wspierane przez badania kinetyczne.
Zaangażowane podjednostki
Substrat jest skoordynowany z cynkiem, a enzym ten ma dwa atomy cynku na podjednostkę. Jednym z nich jest miejsce aktywne, które bierze udział w katalizie. W miejscu aktywnym ligandy to Cys-46, Cys-174, His-67 i jedna cząsteczka wody. Druga podjednostka jest zaangażowana w strukturę. W tym mechanizmie wodorek z alkoholu przechodzi do NAD + . Struktury krystaliczne wskazują, że His-51 deprotonuje rybozę nikotynamidu, która deprotonuje Ser-48. Wreszcie Ser-48 deprotonuje alkohol, czyniąc go aldehydem. Z mechanistycznego punktu widzenia, jeśli enzym dodaje wodorek do twarzy NAD + , powstały wodór jest włączony w pozycję pro-R. Enzymy, które dodają wodorek do reakcji, 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 to Ser, a Leu-319 to 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 nikotynamidu. Phe-319, Ala-317 i Val-292 tworzą wiązania wodorowe z amidem na NAD + .
Witryna cynku strukturalnego
Dehydrogenazy alkoholowe ssaków mają również strukturalne miejsce cynku. Ten jon Zn odgrywa rolę strukturalną i ma kluczowe znaczenie dla stabilności białka. Struktury katalitycznych i strukturalnych miejsc cynku w dehydrogenazie alkoholowej wątroby konia (HLADH) ujawnione w strukturach krystalograficznych, które zostały zbadane obliczeniowo za pomocą chemii kwantowej, a także metodami klasycznej dynamiki molekularnej. Strukturalne miejsce cynku składa się z czterech blisko rozmieszczonych ligandów cysteinowych (Cys97, Cys100, Cys103 i Cys111 w sekwencji aminokwasowej) umieszczonych w prawie symetrycznym czworościanie wokół jonu Zn. Niedawne badanie wykazało, że interakcja między cynkiem a cysteiną jest regulowana przede wszystkim przez wkład elektrostatyczny z dodatkowym wkładem kowalencyjnym w wiązanie.
typy
Człowiek
U ludzi ADH występuje w wielu postaciach jako dimer i jest kodowany przez co najmniej siedem różnych genów. Istnieje pięć klas (IV) dehydrogenazy alkoholowej, ale wątrobowe stosowane głównie u ludzi należą do klasy 1. Klasa 1 składa się z podjednostek α, β i γ, które są kodowane przez geny ADH1A , ADH1B i ADH1C . Enzym ten występuje w dużych ilościach w wątrobie i wyściółce żołądka . Katalizuje utlenianie etanolu do aldehydu octowego ( etanal):
- 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 żywności lub wytwarzanych przez bakterie w przewodzie pokarmowym .
Innym celem ewolucyjnym jest odwracalny metabolizm retinolu ( witaminy A ), alkoholu, do retinaldehydu , znanego również jako retinal, który jest następnie nieodwracalnie przekształcany w kwas retinowy , który reguluje ekspresję setek genów.
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dehydrogenaza alkoholowa jest również zaangażowana w toksyczność innych rodzajów alkoholi: na przykład utlenia metanol , tworząc formaldehyd i ostatecznie kwas mrówkowy . Ludzie mają co najmniej sześć nieco różnych 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 wiąże grupę hydroksylową grupa alkoholu na miejscu. [ potrzebne źródło ]
Aktywność dehydrogenazy alkoholowej różni się między mężczyznami i kobietami, młodymi i starymi oraz populacjami z różnych regionów świata. Na przykład młode kobiety nie są w stanie przetwarzać alkoholu w takim samym tempie jak młodzi mężczyźni, ponieważ nie wykazują tak wysokiej ekspresji dehydrogenazy alkoholowej, chociaż w przypadku osób w średnim wieku sytuacja jest odwrotna. Poziom aktywności może zależeć nie tylko od poziomu ekspresji, ale także od allelicznego wśród populacji.
Ludzkie geny kodujące dehydrogenazy alkoholowe klasy II, III, IV i V to 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
W drożdżach i wielu bakteriach dehydrogenaza alkoholowa odgrywa ważną rolę w fermentacji: Pirogronian powstały w wyniku glikolizy jest przekształcany w aldehyd octowy i dwutlenek węgla , a aldehyd octowy jest następnie redukowany do etanolu przez dehydrogenazę alkoholową zwaną ADH1. Celem tego ostatniego etapu jest regeneracja NAD + , tak aby glikoliza generująca 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 ludzka 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 ze zduplikowanej wersji chromosomu zawierającego gen ADH1 . ADH2 jest używany przez drożdże do przekształcania etanolu z powrotem w aldehyd octowy i jest wyrażany tylko wtedy, gdy stężenie cukru jest niskie. Posiadanie tych dwóch enzymów pozwala drożdżom wytwarzać alkohol, gdy cukru jest pod dostatkiem (a ten alkohol następnie zabija konkurencyjne drobnoustroje), a następnie kontynuować utlenianie alkoholu, gdy cukier i konkurencja znikną.
Rośliny
W roślinach ADH katalizuje tę samą reakcję, co w drożdżach i bakteriach, aby zapewnić stałą podaż NAD + . Kukurydza ma dwie wersje ADH - ADH1 i ADH2, Arabidopsis thaliana zawiera tylko jeden gen ADH. Struktura Arabidopsis ADH jest konserwowany w 47% w stosunku do ADH z wątroby końskiej. Strukturalnie i funkcjonalnie ważne reszty, takie jak siedem reszt, które dostarczają ligandy dla katalitycznych i niekatalitycznych atomów cynku, są jednak konserwowane, co sugeruje, że enzymy mają podobną strukturę. ADH ulega konstytutywnej ekspresji na niskim poziomie w korzeniach młodych roślin hodowanych na agarze. Jeśli w korzeniach brakuje tlenu, ekspresja ADH znacznie wzrasta. Jego ekspresja jest również zwiększona w odpowiedzi na odwodnienie, niskie temperatury i kwas abscysynowy i odgrywa ważną rolę w dojrzewaniu owoców, rozwoju sadzonek i rozwoju pyłku. Różnice w sekwencjach ADH u różnych gatunków zostały wykorzystane do stworzenia filogenezy pokazującej, jak blisko spokrewnione są różne gatunki roślin. Jest to idealny gen do zastosowania ze względu na dogodny rozmiar (długość 2–3 kb z sekwencją kodującą ≈1000 nukleotydów) i niską liczbę kopii.
Zawierające żelazo
| Dehydrogenaza alkoholowa zawierająca | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 żelazo Bacillus stearothermophilus Kompleks dehydrogenazy glicerolu z glicerolem
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| Symbol | Fe-ADH | ||||||||
| Pfam | PF00465 | ||||||||
| Klan Pfam | CL0224 | ||||||||
| InterPro | IPR001670 | ||||||||
| PROZYTA | PDOC00059 | ||||||||
| SCOP2 | 1jqa / ZAKRES / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
Trzecią rodziną dehydrogenaz alkoholowych, niezwiązaną z powyższymi dwoma, są dehydrogenazy zawierające żelazo . Występują u bakterii i grzybów. W porównaniu z enzymami z powyższych rodzin, enzymy te są wrażliwe na tlen. [ potrzebne źródło ] Członkowie rodziny dehydrogenaz alkoholowych zawierających żelazo obejmują:
- Saccharomyces cerevisiae dehydrogenaza alkoholowa 4 (gen ADH4)
- Zymomonas mobilis dehydrogenaza alkoholowa 2 (gen adhB)
- Escherichia coli oksydoreduktaza propanodiolu EC 1.1.1.77 (gen fucO), enzym biorący udział w metabolizmie fukozy , który również wydaje się zawierać jon(y) żelaza .
- Clostridium acetobutylicum NADPH - i NADH -zależne dehydrogenazy butanolowe EC 1.1.1.- (geny adh1, bdhA i bdhB), enzymy wykazujące aktywność przy użyciu butanolu i etanolu jako substratów .
- E. coli adhE, enzym zależny od żelaza, który wykazuje trzy różne aktywności: dehydrogenazę alkoholową, dehydrogenazę aldehydu octowego (acetylującą) EC 1.2.1.10 i dezaktywazę liazy pirogronianowo-mrówczanowej.
- Bakteryjna dehydrogenaza glicerolu 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 Dehydrogenaza metanolowa zależna od NAD EC 1.1.1.244
- Białko wykorzystujące etanoloaminę E. coli i Salmonella typhimurium eutG.
- E. coli hipotetyczne białko yiaY.
Inne rodzaje
Kolejna klasa dehydrogenaz alkoholowych należy do chinoenzymów i wymaga kofaktorów chinoidalnych (np. chinonu pirolochinoliny, 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 chemo- i enancjoselektywność. Jednym z przykładów jest dehydrogenaza alkoholowa z Lactobacillus brevis ( Lb ADH), która jest opisana jako wszechstronny biokatalizator. Wysoka chemospecyficzność została potwierdzona również w przypadku substratów prezentujących dwa potencjalne miejsca redoks. Na przykład aldehyd cynamonowy przedstawia zarówno alifatyczne wiązanie podwójne, jak i funkcję aldehydową. W przeciwieństwie do konwencjonalnych katalizatorów, dehydrogenazy alkoholowe są zdolne do selektywnego działania tylko na te ostatnie, dając wyłącznie alkohol cynamonowy .
W ogniwach paliwowych dehydrogenazy alkoholowe mogą być używane do katalizowania rozkładu paliwa w ogniwie paliwowym na etanol . Naukowcy z Saint Louis University wykorzystali dehydrogenazę alkoholową na nośniku węglowym z poli( zielenią metylenową ) jako anodą, z membraną nafionową , aby osiągnąć około 50 μA / cm 2 .
W 1949 roku E. Racker zdefiniował jedną jednostkę aktywności dehydrogenazy alkoholowej jako ilość, która powoduje zmianę gęstości optycznej o 0,001 na minutę w standardowych warunkach testu . Ostatnio bardziej powszechna jest międzynarodowa definicja jednostki enzymatycznej (UE): jedna jednostka dehydrogenazy alkoholowej przekształci 1,0 μmola etanolu w aldehyd octowy na minutę przy pH 8,8 w temperaturze 25 ° C.
Znaczenie kliniczne
Alkoholizm
Istnieją badania wykazujące, że zmiany w ADH, które wpływają na metabolizm etanolu, mają wpływ na ryzyko uzależnienia od alkoholu. Najsilniejszy efekt wynika ze zmian w ADH1B, które zwiększają szybkość przekształcania alkoholu w aldehyd octowy. Jeden taki wariant występuje najczęściej u osobników z Azji Wschodniej i Bliskiego Wschodu, inny występuje najczęściej u osobników z Afryki. Oba warianty zmniejszają ryzyko alkoholizmu, ale mimo to jednostki mogą stać się alkoholikami. Naukowcy wstępnie wykryli kilka innych genów związanych z alkoholizmem i wiedz, że musi ich być znacznie więcej do odnalezienia. Trwają badania mające na celu identyfikację genów i ich wpływu na alkoholizm.
Uzależnienie od narkotyków
Uzależnienie od narkotyków to kolejny problem związany z ADH, który zdaniem naukowców może być powiązany z alkoholizmem. Jedno konkretne badanie sugeruje, że uzależnienie od narkotyków wiąże się z siedmioma genami ADH, jednak konieczne są dalsze badania. Uzależnienie od alkoholu i inne uzależnienia od narkotyków mogą mieć 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 kompetycyjnie hamujący dehydrogenazę alkoholową, może być stosowany w przypadku ostrego zatrucia metanolem lub glikolem etylenowym . Zapobiega to konwersji metanolu lub glikolu etylenowego do jego toksycznych metabolitów (takich jak kwas mrówkowy , formaldehyd lub glikolan ). Ten sam efekt czasami uzyskuje się również z etanolem , ponownie przez kompetycyjne hamowanie ADH.
Metabolizm leków
Lek hydroksyzyna jest rozkładany do aktywnego metabolitu cetyryzyny przez dehydrogenazę alkoholową. Inne leki z grupami alkoholowymi mogą być metabolizowane w podobny sposób, o ile zawada przestrzenna nie uniemożliwia dotarcia alkoholu do miejsca aktywnego.
Zobacz też
- Dehydrogenaza alkoholowa (NAD(P)+)
- Dehydrogenaza aldehydowa
- oksydoreduktaza
- Zawartość alkoholu we krwi dla tempa metabolizmu
Linki zewnętrzne
- PDBsum ma linki do trójwymiarowych struktur różnych dehydrogenaz alkoholowych zawartych w Protein Data Bank
- ExPASy zawiera linki do sekwencji dehydrogenazy alkoholowej w Swiss-Prot , do wyszukiwania 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.
