ALDH

Aldehyddehydrogenase (EC 1.2.1.3) katalysiert die Dehydrierung einer großen Vielfalt von Aldehyden in Gegenwart von Nicotinamidadenindinukleotid (NAD⁺) als Coenzym. Dabei werden Aldehyde (R–C(=O)–H) zu Carbonsäuren (R–C(=O)–O–H) oxidiert. Der Sauerstoff stammt aus einem Wassermolekül. Aldehyddehydrogenasen (ALDH) gehören zu einer Enzym-Superfamilie, die eine Schlüsselrolle im Metabolismus von Aldehyden sowohl endogener als auch exogener Herkunft spielt. Die humane ALDH-Superfamilie umfasst 19 Isoenzyme mit wichtigen physiologischen und toxikologischen Funktionen.

Isoenzyme

Aldehyddehydrogenasen (ALDH) gehören zur Familie der Oxidoreduktasen. Die humane ALDH-Superfamilie umfasst 19 Isoenzyme. Die Gene, die für humane Aldehyddehydrogenasen mit breiter Substratspezifität kodieren, sind: aldh1, aldh2, aldh3, aldh9 und aldh10. Die ALDH1A-Subfamilie spielt eine zentrale Rolle in Embryogenese und Entwicklung, indem sie die Retinsäure-Signalübertragung vermittelt. ALDH2 ist als Schlüsselenzym der Oxidation von Acetaldehyd essenziell für den Alkoholmetabolismus. ALDH1A1 und ALDH3A1 sind Linsen- und Hornhautkristalline und wesentliche Bestandteile des zellulären Abwehrmechanismus gegen durch UV-Strahlung induzierte Schäden in okulären Geweben. Viele ALDH-Isoenzyme sind wichtig für die Oxidation reaktiver Aldehyde, die aus der Lipidperoxidation entstehen, und tragen dadurch zur Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase bei. Eine erhöhte Expression und Aktivität von ALDH-Isoenzymen wurde bei verschiedenen humanen Tumorerkrankungen beschrieben und ist mit Tumorrezidiven assoziiert.

Struktur

Abbildung 1. Bändermodell des ALDH3-Dimers und -Monomers. (Liu Z J, et al. 1997)

Im Folgenden wird die dreidimensionale Struktur von ALDH3 beschrieben. Die aktive Form des Enzyms ist ein Dimer, bestehend aus zwei identischen Untereinheiten mit jeweils 452 Aminosäureresten. Jede Untereinheit enthält eine NAD(P)-Bindedomäne, eine katalytische Domäne sowie eine „armartige“ Brückendomäne. Die Untereinheiten im Dimer stehen in Beziehung zueinander durch eine pseudo-zweizählige Symmetrie. Das Dimer wird durch insgesamt 62 intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert. N-terminale Reste bilden ein Cluster aus vier Helices, α1–α4. Anschließend schleift die Polypeptidkette aus, um die „armartige“ Brückendomäne zu beginnen, bildet den Strang β0 und kehrt zurück, um die charakteristische offene α/β-Struktur einer dinukleotidbindenden Rossmann-Faltung auszubilden. Die Polypeptidkette setzt sich in die katalytische Domäne fort, die ebenfalls ein α/β-Motiv aufweist, bestehend aus sechs parallelen Strängen (β6–β7–β9–β10–β11–β12), einem antiparallelen Strang (β8) und fünf Helices (α9–α13). Danach erstreckt sich die Kette zurück über die NAD-Bindedomäne und bildet α14 und anschließend β13. Dieser Strang vervollständigt zusammen mit β0 ein zweisträngiges antiparalleles β-Band, das Teil der katalytischen Tasche der jeweils anderen Untereinheit wird. Die C-terminalen Reste bilden eine Schleife über der katalytischen Domäne der anderen Untereinheit und schließen damit die Brückendomäne ab. Die Brückendomäne, die 29 Wasserstoffbrückenbindungen mit der katalytischen Domäne der anderen Untereinheit ausbildet, spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung und Stabilisierung des Dimers.

Mechanismus

Die von ALDH katalysierte NAD(P)⁺-abhängige Reaktion lautet: RCHO + NAD⁺ + H₂O → RCOOH + NADH + H⁺. Dabei gelangt das Aldehyd über einen von der Enzymoberfläche ausgehenden Kanal in das aktive Zentrum. Das aktive Zentrum enthält eine Rossmann-Faltung; Wechselwirkungen zwischen dem Cofaktor und dieser Faltung ermöglichen die katalytische Funktion des aktiven Zentrums.

Abbildung 2. Mechanismus der Aldehyddehydrogenase.

Ein Schwefelatom eines Cysteins im aktiven Zentrum führt einen nukleophilen Angriff auf das Carbonylkohlenstoffatom des Aldehyds aus. Das Wasserstoffatom wird als Hydrid abgespalten und greift NAD(P)⁺ an, wodurch NAD(P)H entsteht. Anschließend durchläuft das aktive Zentrum des Enzyms eine isomorphe Konformationsänderung, bei der NAD(P)H verlagert wird, sodass Platz für den Zugang eines Wassermoleküls zum Substrat entsteht. Das Wasser wird durch ein Glutamat im aktiven Zentrum aktiviert; anschließend greift das Wasser nukleophil das Carbonylkohlenstoffatom an, wobei der Schwefel als Abgangsgruppe abgespalten wird.

Funktionen

ALDH ist ein NAD(P)-abhängiges Enzym und ist in nahezu allen Geweben von Pflanzen und Tieren weit verbreitet. Bei Säugetieren liegen ALDH als unterschiedliche Enzyme mit verschiedener Gewebespezifität vor und finden sich an zahlreichen Lokalisationen im Körper, darunter Leber, Magen, Niere, Auge und Gehirn. Obwohl diese Enzyme eine ähnliche Grundfunktion haben – die Detoxifikation von Aldehyden –, weisen die einzelnen Enzyme unterschiedliche Spezifitäten auf, was ihre jeweiligen biologischen Rollen widerspiegelt. Die humane hepatische ALDH ist beispielsweise eines von zwei Schlüsselenzymen des Alkoholmetabolismus: Alkoholdehydrogenase (ADH) wandelt Alkohol in Aldehyd um, und ALDH oxidiert Aldehyd zu Carbonsäure, die anschließend eliminiert oder in andere Stoffwechselwege eingeschleust werden kann. Eine Mutation der humanen Fettsäurealdehyddehydrogenase wurde mit dem Sjögren–Larsson-Syndrom, einer angeborenen neurologischen Beeinträchtigung, in Verbindung gebracht. In Pflanzen ist das nukleäre Restorer-Protein des männlich sterilen T-Cytoplasma-Maises, RF2, eine mutmaßliche ALDH mit ca. 60 % Identität und 75 % Ähnlichkeit zu Säugetier-ALDH. Zudem wurde gezeigt, dass ALDH eine wichtige Rolle im Pheromonmetabolismus und in Entwicklungsprozessen spielt. Veränderungen der ALDH-Aktivität wurden auch in einer Reihe von Tumoren beobachtet, darunter Leber-, Kolon- und Mammakarzinome; zudem wurde ein Modell einer induzierbaren Regulation von ALDH-Genen vorgeschlagen.

Literatur