ALDH

Aldehyddehydrogenase (EC 1.2.1.3) katalysiert die Dehydrierung einer Vielzahl von Aldehyden in Anwesenheit von Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD+) als Coenzym. Sie wandeln Aldehyde (R–C(=O)–H) in Carbonsäuren (R–C(=O)–O–H) um. Der Sauerstoff stammt aus einem Wassermolekül. Aldehyddehydrogenasen (ALDHs) gehören zu einer Superfamilie von Enzymen, die eine Schlüsselrolle im Metabolismus von Aldehyden sowohl endogener als auch exogener Herkunft spielen. Die menschliche ALDH-Superfamilie umfasst 19 Isoenzyme, die wichtige physiologische und toxikologische Funktionen besitzen.

Isoenzyme

Aldehyddehydrogenasen (ALDH) gehören zur Familie der Oxidoreduktasen. Die menschliche ALDH-Superfamilie umfasst 19 Isoenzyme. Die Gene, die für menschliche Aldehyddehydrogenasen mit breiter Substratspezifität kodieren, sind: aldh1, aldh2, aldh3, aldh9 und aldh10. Die ALDH1A-Unterfamilie spielt eine entscheidende Rolle in der Embryogenese und Entwicklung, indem sie die Signalübertragung von Retinsäure vermittelt. ALDH2, als Schlüsselenzym, das Acetaldehyd oxidiert, ist entscheidend für den Alkoholmetabolismus. ALDH1A1 und ALDH3A1 sind Linsen- und Hornhautkristalline, die wesentliche Elemente des zellulären Abwehrmechanismus gegen durch ultraviolette Strahlung verursachte Schäden in okulären Geweben sind. Viele ALDH-Isoenzyme sind wichtig für die Oxidation reaktiver Aldehyde, die aus Lipidperoxidation stammen, und helfen somit, die zelluläre Homöostase aufrechtzuerhalten. Eine erhöhte Expression und Aktivität von ALDH-Isoenzymen wurde in verschiedenen menschlichen Krebserkrankungen berichtet und ist mit einem Rückfall von Krebs assoziiert.

Struktur

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

Hier diskutieren wir die dreidimensionale Struktur von ALDH3. Die aktive Form des Enzyms ist ein Dimer, das aus zwei identischen Untereinheiten mit 452 Resten besteht. Jede Untereinheit enthält eine NAD(P)-Bindungs-, eine katalytische und eine „armartige“ Brückendomäne. Die Untereinheiten im Dimer sind durch eine pseudo-zweifache Symmetrie miteinander verbunden. Das Dimer wird durch insgesamt 62 intramolekulare Wasserstoffbrücken stabilisiert. N-terminale Reste bilden einen Cluster von vier Helices, α1-α4. Die Polypeptidkette schlingt sich dann weg, um die „armartige“ Brückendomäne zu beginnen, bildet den Strang β0 und kehrt zurück, um die charakteristische offene α/β-Struktur eines dinukleotidbindenden Rossmann-Folds zu bilden. Die Polypeptidkette setzt sich in die katalytische Domäne fort, die ebenfalls ein α/β-Motiv aufweist, das aus sechs parallelen Strängen, β6-β7-β9-β10-β11-β12, einem antiparallelen Strang, β8, und fünf Helices, α9-α13, besteht. Die Kette erstreckt sich dann über die NAD-Bindungsdomäne und bildet α14 und dann β13. Dieser Strang vervollständigt ein zweisträngiges antiparalleles β-Band mit β0, das Teil der katalytischen Tasche der anderen Untereinheit wird. Die C-terminalen Reste bilden eine Schleife über die katalytische Domäne der anderen Untereinheit und vervollständigen die Brückendomäne. Die Brückendomäne, die 29 Wasserstoffbrücken mit der katalytischen Domäne der anderen Untereinheit bildet, spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung und Stabilisierung des Dimer.

Mechanismus

Die NAD(P)⁺-abhängige Reaktion, die von ALDH katalysiert wird, ist: RCHO + NAD⁺ + H₂O → RCOOH + NADH + H⁺. In dieser Reaktion gelangt das Aldehyd durch einen Kanal, der von der Oberfläche des Enzyms ausgeht, in die aktive Stelle. Die aktive Stelle enthält ein Rossmann-Fold, und Wechselwirkungen zwischen dem Cofaktor und dem Fold ermöglichen die Funktion der aktiven Stelle.

Abbildung 2. Mechanismus der Aldehyddehydrogenase.

Eine Schwefelgruppe von einer Cystein in der aktiven Stelle führt einen nukleophilen Angriff auf das Carbonylkohlenstoff des Aldehyds aus. Das Wasserstoffatom wird als Hydrid abgespalten und greift NAD(P)⁺ an, um NAD(P)H zu erzeugen. Die aktive Stelle des Enzyms durchläuft dann eine isomorphe Veränderung, bei der das NAD(P)H verschoben wird, wodurch Platz für ein Wassermolekül geschaffen wird, um auf das Substrat zuzugreifen. Das Wasser wird von einem Glutamat in der aktiven Stelle aktiviert, und das Wasser führt einen nukleophilen Angriff auf das Carbonylkohlenstoff aus, 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 existiert ALDH als verschiedene Enzyme mit unterschiedlichen Gewebespezifitäten, die an verschiedenen Orten im Körper zu finden sind, einschließlich Leber, Magen, Niere, Auge und Gehirn. Obwohl diese Enzyme eine ähnliche allgemeine Funktion haben – die Entgiftung von Aldehyden – haben die einzelnen Enzyme unterschiedliche Spezifitäten, die ihre spezifischen biologischen Rollen widerspiegeln. Die menschliche Leber-ALDH ist beispielsweise eines der beiden Schlüsselenzyme, die für den Alkoholmetabolismus verantwortlich sind: Die Alkoholdehydrogenase (ADH) wandelt Alkohol in Aldehyd um, und ALDH wandelt Aldehyd in Carbonsäure um, die dann eliminiert oder in anderen Stoffwechselwegen verwendet werden kann. Eine Mutation in der menschlichen Fettsäure-Aldehyddehydrogenase wurde mit dem Sjögren–Larsson-Syndrom, einer angeborenen neurologischen Beeinträchtigung, in Verbindung gebracht. In Pflanzen ist das nukleare Wiederherstellungsprotein von männlich-sterilem T-Zytoplasma-Mais, RF2, ein putatives ALDH mit ~60% Identität und 75% Ähnlichkeit zu Säugetier-ALDH. ALDH hat auch eine wichtige Rolle im Pheromonmetabolismus und in Entwicklungsprozessen gespielt. Eine Veränderung der ALDH-Aktivität wurde auch in einer Reihe von Tumoren beobachtet, einschließlich Leber-, Kolon- und Brustkrebs, und ein Modell der induzierbaren ALDH-Genregulation wurde vorgeschlagen.

Referenzen