Alkoholdehydrogenase

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Klassifikation 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 ist eine große Klasse von Enzymen, die weiter in mindestens drei verschiedene Enzym-Superfamilien unterteilt werden kann: mittelkettige (MDR) Dehydrogenasen/Reduktasen, kurzkettige Dehydrogenasen/Reduktasen und eisenaktivierte ADHs. Die MDR-Superfamilie besteht aus 350 Aminosäureresten (Dimere oder Tetramere), und jede Untereinheit hat eine katalytische Domäne und eine Domäne, die an das Nukleotid NAD + oder NADP + bindet. Viele Enzyme der MDR-Familie enthalten Zink in ihren aktiven Stellen und haben ein Sequenzmotiv, das als zinkhaltige ADH-Unterschrift bekannt ist: GHEX₂GX₅ (G, A) X₂ (I, V, A, C, S). Die Gene, die klassische ADHs kodieren, umfassen ADH1, ADH2, ADH3, ADH4 und ADH5. Weitere Gene sind SFA1, BDH1, BDH2, SOR1, das putative SOR2, das Zimtalkohol ADH, CDH1, XDH1, ADH6 und ADH7.  

Lokalisierung

Die Hüllstruktur eukaryotischer Zellen ist in komplexe Kompartimente organisiert, um verschiedene biologische Funktionen auszuführen. Die Kenntnis der Position von Proteinen im Mikroumfeld dieser Zellen ist äußerst wichtig für das Verständnis ihrer Funktionen und Interaktionen. In den späten 1960er Jahren war bekannt, dass es mindestens drei NAD-abhängige ADHs in Backhefe gibt. Zwei dieser Enzyme befinden sich im Zytosol (Adh1p und Adh2p), und Adh3p befindet sich in der mitochondrialen Matrix. Bei der Untersuchung des Mechanismus der mitochondrialen Oxidation von zytoplasmatischem NADH erhielten Overkamp (2000) und Bakker (2000) ausreichende Beweise dafür, dass ADH3 nicht das einzige mitochondriale ADH ist. Die Studie von Huh (2003) stellte fest, dass Adh5p im Zytoplasma lokalisiert ist, und neben Adh3p ist auch Adh4p ein mitochondriales Enzym. Derzeit ist der Standort von Adh6p und Adh7p unklar, da die meisten verfügbaren Informationen über die Eigenschaften dieser beiden Enzyme aus der Überwachung der Expression auf mRNA-Ebene oder aus Überexpressionsstudien stammen.

Übersicht zur Strukturaufklärung

Saccharomyces cerevisiae Alkoholdehydrogenase I (ADH1) ist ein konstitutives Enzym, das Acetaldehyd während der Glukosefermentation zu Ethanol reduziert. Die Struktur von ADH1 wurde durch Röntgenkristallographie mit einer Auflösung von 2,4 Å bestimmt. Die asymmetrische Einheit enthält vier verschiedene Untereinheiten, die als ähnliche Dimere angeordnet sind, die AB und CD genannt werden und die dem Pferdeleber-ADH ähnlich sind (Abbildung 1). Jede Untereinheit im Dimer hat eine typische Rossmann-Faltung Coenzym-Bindungsdomäne, das heißt, ein sechssträngiges paralleles β-Faltblatt, und es gibt zwei Helices auf jeder Seite des Blattes, und das Coenzym bindet am carboxylierten terminalen Ende. Die umfangreiche Wechselwirkung der beiden Coenzym-Bindungsdomänen erzeugt ein erweitertes β-Blatt im Dimer. Jede Untereinheit hat auch eine katalytische Domäne, die ein Zinkatom enthält, an das der Alkohol bindet, und einen entfernten strukturellen Zinkring in einer fernen Schleife. Die A- und C-Untereinheiten haben eine "geschlossene" Konformation und enthalten NAD und TFE, die in einer "klassischen" Koordination an das katalytische Zink gebunden sind, während die B- und D-Untereinheiten eine "offene" Konformation haben, die eine alternative Koordination aufweist, und es gibt keine Bindung des Coenzyms. Eine Einheitszelle enthält drei biologische Moleküle, von denen jedes zwei verschiedene Tetramere mit AB: AB und CD: CD Untereinheiten ist. 

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

Zinkgehalt und Koordination

Jede Untereinheit in der Kristallstruktur von Hefe ADH1 enthält "katalytisches" Zink und "strukturelles" Zink, und seine Funktion ist derzeit unklar. Obwohl die biochemischen 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, und diese Zinkatome existieren in tetrahedraler Koordination. In der geschlossenen Konformation bindet eine Untereinheit (A oder C) in jedem asymmetrischen Dimer NAD und TFE mit dem katalytischen Zink auf "klassische" Weise mit Cys-43, His-66, Cys-153 und dem Sauerstoff von TFE. In der offenen Konformation koordiniert die andere Untereinheit (B oder D) das katalytische Zink auf alternative Weise, zu Cys-43, His-66, Glu-67 und Cys-153 mit dem Sauerstoff von TFE in der zweiten Sphäre. Die Überlagerung der katalytischen Domänen der Untereinheiten A und B zeigt, dass, wenn Zink etwa 2,6 Å von Glu-67 bewegt, die Koordination des Zinks umgekehrt wird, begleitet von einer kleinen Bewegung der Zink-Liganden. Die Struktur des menschlichen ADH3 kann ein Zwischenprodukt im Mechanismus nach der Coenzym-Bindung und vor der Substratbindung veranschaulichen. Offensichtlich ist die alternative Koordination häufig, und die Koordination des aktiven Zinkzentrums ist flexibel, sodass Wissenschaftler einen Mechanismus vorgeschlagen haben, der die Verwendung von Alkohol oder Aldehyd anstelle von zinkgebundenem Wasser umfasst.

Abbildung 2. Zwei verschiedene Arten der Koordination des katalytischen Zinks (Raj, S.B.; et al. 2014)

Eigenschaften

Alkoholdehydrogenase ist ein Dimer mit einer Masse von 80 kDa, einschließlich einer Reihe von Isoenzymen, die Ethanol in Acetaldehyd umwandeln können. Bei Säugetieren handelt es sich um eine Redoxreaktion, die das Coenzym Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+) umfasst. Alkoholdehydrogenase ist verantwortlich für die Katalyse der Oxidation von primären und sekundären Alkoholen zu Aldehyden und Ketonen und kann auch deren Rückreaktionen beeinflussen. Aber bei primären Alkoholen ist dieser katalytische Effekt nicht stark, während bei sekundären Alkoholen und cyclischen Alkoholen der katalytische Effekt stark ist. Der optimale pH-Wert der Alkoholdehydrogenase liegt zwischen 7,0 und 10,0, die Enzymaktivität erreicht ihr Maximum bei einem pH-Wert von 8,0, und die Enzymaktivität ist relativ stabil bei einem pH-Wert von 7,0; die optimale Temperatur von ADH beträgt 37℃ und die Temperatur ist bei 30-40℃ relativ stabil, und die Enzymaktivität sinkt stark, nachdem die Temperatur 45℃ überschreitet.

Anwendung

• Krankheitsdiagnose

ADH im menschlichen Körper wird hauptsächlich in der Leber produziert, daher kann eine Lebererkrankung mit der Serum-ADH-Aktivität in Verbindung stehen. Die Verwendung von Spektrophotometrie zur Bestimmung der Aktivität von ADH im Serum und die klinische Untersuchung dieses Indexes sind von großer Bedeutung für die Diagnose von Lebererkrankungen.

• Alkoholkonzentration

Im täglichen sozialen Leben sind Menschen unvermeidlich Alkohol ausgesetzt. Verkehrsunfälle, die durch Trunkenheit am Steuer verursacht werden, sind nicht ungewöhnlich. Darüber hinaus kann übermäßiger Alkoholkonsum zur Alkoholabhängigkeit führen. Angesichts der schwerwiegenden Folgen von Alkoholunfällen und Alkoholabhängigkeit hat die schnelle Bestimmung der Ethanolkonzentration im Plasma einen sehr wichtigen klinischen Wert zur Verhinderung von Unfällen und zur frühen Diagnose und Behandlung von akuter Alkoholabhängigkeit.

• Katalysator

In der chemischen Industrie werden die katalytischen Eigenschaften von ADH genutzt, um viele Rohstoffe und Zwischenprodukte herzustellen. Im Prozess der Umwandlung von Kohlendioxid in Methanol spielt ADH eine enzymatische Katalysatorrolle.

Klinische Bedeutung

• Alkoholismus

Studien haben gezeigt, dass Alkoholdehydrogenase zu alkoholabhängigem Alkoholismus bei Patienten führen kann. Forscher haben zunächst einige Gene entdeckt, die möglicherweise mit Alkoholismus in Verbindung stehen. Wenn die ADH2 und ADH3, die von diesen Genvarianten kodiert werden, in die langsame Stoffwechselform übergehen, kann dies das Risiko des Alkoholmissbrauchs erhöhen. Die Studie fand heraus, dass mutierte ADH2 und ADH3 mit Alkoholmissbrauch in asiatischen Populationen in Verbindung stehen. Ob dies wirklich der Fall ist, bedarf jedoch weiterer Forschung.

• Medikamentenabhängigkeit

Medikamentenabhängigkeit ist ein weiteres Problem mit Alkoholdehydrogenase, von dem Forscher glauben, dass es mit Alkoholismus in Verbindung stehen könnte. Eine spezielle Studie zeigte, dass die Medikamentenabhängigkeit mit 7 alkoholdehydrogenasebezogenen Genen in Verbindung steht. Diese Ergebnisse könnten helfen, eine gezielte Behandlung dieser spezifischen Gene zu entwickeln. Dies erfordert jedoch weitere eingehende Forschung.