Alkoholdehydrogenase

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Klassifizierung der ADHs

ADH (E.C. 1.1.1.1) ist eine Oxidoreduktase, die die reversible Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden oder Ketonen katalysieren kann, wobei gleichzeitig NAD⁺ oder NADP⁺ reduziert wird. ADH stellt eine große Enzymklasse dar, die weiter in mindestens drei unterschiedliche Enzym-Superfamilien unterteilt werden kann: Dehydrogenasen/Reduktasen der mittleren Kettenlänge (MDR), Dehydrogenasen/Reduktasen der kurzen Kettenlänge sowie eisenaktivierte ADHs. Die MDR-Superfamilie besteht aus Proteinen mit ca. 350 Aminosäureresten (Dimere oder Tetramere); jede Untereinheit besitzt eine katalytische Domäne sowie eine Domäne zur Bindung des Nukleotids NAD⁺ oder NADP⁺. Viele Enzyme der MDR-Familie enthalten Zink im aktiven Zentrum und weisen ein Sequenzmotiv auf, das als Zink-haltige ADH-Signatur bekannt ist: GHEX₂GX₅(G, A)X₂(I, V, A, C, S). Zu den Genen, die klassische ADHs kodieren, gehören ADH1, ADH2, ADH3, ADH4 und ADH5. Weitere Gene sind SFA1, BDH1, BDH2, SOR1, das mutmaßliche SOR2, die Zimtalkohol-ADH, CDH1, XDH1, ADH6 und ADH7.  

Lokalisation

Die Hüllstruktur eukaryotischer Zellen ist in komplexe Kompartimente organisiert, um verschiedene biologische Funktionen zu erfüllen. Die Kenntnis der Proteinlokalisation im Mikromilieu dieser Zellen ist für das Verständnis ihrer Funktionen und Interaktionen von zentraler Bedeutung. Ende der 1960er-Jahre war bekannt, dass es in Bäckerhefe mindestens drei NAD-abhängige ADHs gibt. Zwei dieser Enzyme sind im Zytosol lokalisiert (Adh1p und Adh2p), während Adh3p in der mitochondrialen Matrix vorkommt. Bei der Untersuchung des Mechanismus der mitochondrialen Oxidation von zytoplasmatischem NADH erhielten Overkamp (2000) und Bakker (2000) hinreichende Evidenz dafür, dass ADH3 nicht die einzige mitochondriale ADH ist. Die Studie von Huh (2003) zeigte, dass Adh5p im Zytoplasma lokalisiert ist und dass neben Adh3p auch Adh4p ein mitochondriales Enzym ist. Derzeit ist die Lokalisation von Adh6p und Adh7p unklar, da die meisten verfügbaren Informationen zu den Eigenschaften dieser beiden Enzyme aus Expressionsmonitoring auf mRNA-Ebene oder aus Überexpressionsstudien stammen.

Überblick über die Strukturaufklärung

Die Alkoholdehydrogenase I (ADH1) aus Saccharomyces cerevisiae ist ein konstitutives Enzym, das während der Glukosefermentation Acetaldehyd zu Ethanol reduziert. Die Struktur von ADH1 wurde mittels Röntgenkristallographie mit einer Auflösung von 2,4 Å bestimmt. Die asymmetrische Einheit enthält vier unterschiedliche Untereinheiten, die als ähnliche Dimere angeordnet sind, bezeichnet als AB und CD, und die der ADH aus Pferdeleber ähneln (Abbildung 1). Jede Untereinheit im Dimer besitzt eine typische Rossmann-Faltung als Coenzym-Bindedomäne, d. h. ein paralleles, sechsträngiges β-Faltblatt, mit jeweils zwei Helices auf beiden Seiten des Blatts; das Coenzym bindet am carboxyterminalen Ende. Die ausgeprägte Interaktion der beiden Coenzym-Bindedomänen erzeugt im Dimer ein erweitertes β-Faltblatt. Jede Untereinheit verfügt zudem über eine katalytische Domäne, die ein Zinkatom enthält, an das der Alkohol bindet, sowie über einen entfernten strukturellen Zinkring in einer weiter entfernten Schleife. Die Untereinheiten A und C weisen eine „geschlossene“ Konformation auf und enthalten NAD und TFE, die in „klassischer“ Koordination an das katalytische Zink gebunden sind, während die Untereinheiten B und D eine „offene“ Konformation mit alternativer Koordination zeigen und kein gebundenes Coenzym aufweisen. Eine Elementarzelle enthält drei biologische Moleküle, von denen jedes aus zwei unterschiedlichen Tetrameren mit AB:AB- bzw. CD:CD-Untereinheiten besteht. 

Abbildung 1. Stereodarstellungen einer asymmetrischen Einheit, eines AB-Dimers sowie des biologischen AB:AB-Tetramers in Rücken-an-Rücken-Orientierung (Raj, S.B.; et al. 2014)

Zinkgehalt und Koordination

Jede Untereinheit in der Kristallstruktur der Hefe-ADH1 enthält „katalytisches“ Zink und „strukturelles“ Zink; die Funktion des strukturellen Zinks ist derzeit unklar. Obwohl biochemische Experimente zur Bestimmung der Anzahl der Zinkatome in Hefe-ADH1 unterschiedliche Ergebnisse lieferten, zeigte die Kristallographie eindeutig, dass in jeder Untereinheit zwei Zinkatome vorhanden sind, die jeweils eine tetraedrische Koordination aufweisen. In der geschlossenen Konformation bindet eine Untereinheit (A oder C) in jedem asymmetrischen Dimer NAD und TFE in „klassischer“ Weise an das katalytische Zink über Cys-43, His-66, Cys-153 und den Sauerstoff von TFE. In der offenen Konformation koordiniert die andere Untereinheit (B oder D) das katalytische Zink alternativ über Cys-43, His-66, Glu-67 und Cys-153, wobei der Sauerstoff von TFE in der zweiten Koordinationssphäre liegt. Die Überlagerung der katalytischen Domänen der Untereinheiten A und B zeigt, dass sich bei einer Verschiebung des Zinks um etwa 2,6 Å von Glu-67 die Zinkkoordination umkehrt, begleitet von geringfügigen Bewegungen der Zinkliganden. Die Struktur der humanen ADH3 kann ein Intermediat im Mechanismus nach der Coenzymbindung und vor der Substratbindung veranschaulichen. Offensichtlich ist die alternative Koordination häufig, und die Koordination des aktiven Zinkzentrums ist flexibel; daher wurde ein Mechanismus vorgeschlagen, bei dem Alkohol oder Aldehyd anstelle von zinkgebundenem Wasser eingesetzt wird.

Abbildung 2. Zwei unterschiedliche Koordinationstypen des katalytischen Zinks (Raj, S.B.; et al. 2014)

Eigenschaften

Alkoholdehydrogenase ist ein Dimer mit einer Masse von 80 kDa und umfasst eine Gruppe von Isoenzymen, die Ethanol zu Acetaldehyd umsetzen können. Bei Säugetieren handelt es sich um eine Redoxreaktion unter Beteiligung des Coenzyms Nicotinamidadenindinukleotid (NAD⁺). Alkoholdehydrogenase katalysiert die Oxidation primärer und sekundärer Alkohole zu Aldehyden bzw. Ketonen und kann auch die Rückreaktionen beeinflussen. Bei primären Alkoholen ist diese katalytische Wirkung jedoch weniger ausgeprägt, während sie bei sekundären und cyclischen Alkoholen stark ist. Der optimale pH-Wert der Alkoholdehydrogenase liegt bei 7,0–10,0; die Enzymaktivität erreicht ihr Maximum bei pH 8,0 und ist bei pH 7,0 relativ stabil. Die optimale Temperatur von ADH beträgt 37 °C; im Bereich von 30–40 °C ist die Enzymaktivität relativ stabil, während sie nach Überschreiten von 45 °C stark abnimmt.

Anwendung

• Krankheitsdiagnostik

ADH wird im menschlichen Körper überwiegend in der Leber gebildet, sodass Lebererkrankungen mit der ADH-Aktivität im Serum assoziiert sein können. Die Bestimmung der ADH-Aktivität im Serum mittels Spektrophotometrie und die klinische Evaluation dieses Parameters sind für die Diagnostik von Lebererkrankungen von hoher Relevanz.

• Alkoholkonzentration

Im Alltag sind Menschen unvermeidlich Alkohol ausgesetzt. Verkehrsunfälle infolge von Trunkenheit am Steuer sind keine Seltenheit. Darüber hinaus kann übermäßiger Alkoholkonsum zu Alkoholabhängigkeit führen. Angesichts der schwerwiegenden Folgen alkoholbedingter Unfälle und der Alkoholabhängigkeit besitzt die schnelle Bestimmung der Ethanolkonzentration im Plasma einen hohen klinischen Stellenwert zur Unfallprävention sowie zur frühzeitigen Diagnostik und Behandlung akuter Alkoholvergiftungen.

• Katalysator

In der chemischen Industrie werden die katalytischen Eigenschaften von ADH zur Herstellung zahlreicher Rohstoffe und Zwischenprodukte genutzt. Bei der Umwandlung von Kohlendioxid zu Methanol übernimmt ADH eine enzymkatalytische Funktion.

Klinische Bedeutung

• Alkoholabhängigkeit

Studien deuten darauf hin, dass Alkoholdehydrogenase zur Entwicklung einer Alkoholabhängigkeit bei Patientinnen und Patienten beitragen kann. Forschende identifizierten zunächst einige Gene, die mit Alkoholabhängigkeit in Zusammenhang stehen könnten. Wenn die durch diese Genvarianten kodierten ADH2- und ADH3-Enzyme in eine langsam metabolisierende Form übergehen, kann dies das Risiko für Alkoholmissbrauch erhöhen. Die Studie zeigte, dass mutierte ADH2- und ADH3-Varianten in asiatischen Populationen mit Alkoholmissbrauch assoziiert sind. Ob dies tatsächlich kausal ist, bedarf jedoch weiterer Untersuchungen.

• Arzneimittelabhängigkeit

Arzneimittelabhängigkeit ist ein weiteres Problemfeld im Zusammenhang mit Alkoholdehydrogenase, das nach Einschätzung von Forschenden mit Alkoholabhängigkeit verknüpft sein könnte. Eine spezifische Studie zeigte, dass Arzneimittelabhängigkeit mit sieben alkoholdehydrogenaseassoziierten Genen zusammenhängt. Diese Ergebnisse könnten eine gezielte Behandlung, die auf diese spezifischen Gene ausgerichtet ist, unterstützen. Dies erfordert jedoch weiterführende, vertiefte Forschung.