Alcohol dehydrogenase

El alcohol dehydrogenases (ADH) es un grupo de enzimas dehydrogenase que ocurren en muchos organismos y facilitan la interconversión entre alcohols y aldehydes o ketones con la reducción de nicotinamide adenine dinucleotide (NAD a NADH). En la gente y muchos otros animales, sirven para dividir alcohols que por otra parte son tóxicos, y también participan en la generación de aldehyde útil, ketone, o grupos de alcohol durante la biosíntesis de vario metabolites. En levadura, plantas y muchas bacterias, un poco de alcohol dehydrogenases cataliza la reacción de enfrente como la parte de la fermentación para asegurar un suministro constante de NAD.

Evolución

Pruebas genéticas de comparaciones de organismos múltiples, mostró que un formaldehído glutathione-dependiente dehydrogenase, idéntico a un alcohol de la clase III dehydrogenase (ADH-3/ADH5), probablemente es la enzima ancestral para la familia ADH entera. Temprano en la evolución, un método eficaz para eliminar tanto el formaldehído endógeno como exogenous era importante y esta capacidad ha conservado ADH-3 ancestral durante el tiempo. De copias genéticas de ADH-3, seguido de la serie de mutaciones, otro ADHs evolucionó. Se cree que la capacidad de producir el etanol del azúcar ha evolucionado al principio en la levadura. Este rasgo no es adaptable desde un punto de vista enérgico, pero haciendo el alcohol en tales altas concentraciones de modo que fueran tóxicos a otros organismos, las células de la levadura podrían eliminar con eficacia su concurso. Ya que la fruta que se pudre puede contener más del 4% de etanol, los animales comiendo la fruta necesitaron un sistema para metabolizar el etanol exogenous. Se pensó que esto explicaba la conservación de etanol ADH activo en otras especies que la levadura, aunque se conozca ahora que ADH-3 tiene también un papel principal en la señalización de óxido nítrica.

Descubrimiento

El alcohol aislado primero en la vida dehydrogenase (ADH) se purificó en 1937 de Saccharomyces cerevisiae (levadura). Muchos aspectos del mecanismo catalítico para el hígado del caballo enzima de ADH fueron investigados por Hugo Theorell y compañeros de trabajo. ADH también era una de las primeras enzimas oligomeric que tenían su secuencia de aminoácidos y estructura tridimensional determinada.

A principios de 1960 se descubrió en moscas de la fruta del género Drosophila.

Propiedades

El alcohol dehydrogenases comprende un grupo de varios isozymes que catalizan la oxidación de alcohols primario y secundario a aldehydes y ketones, respectivamente, y también pueden catalizar la reacción inversa. En mamíferos esto es un redox (reducción/oxidación) reacción que implica nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) de la coenzima y cofactor PQQ.

El alcohol dehydrogenase es un dimer con una masa de 80 kDa.

Oxidación de alcohol

Mecanismo de acción en gente

Pasos

  1. Encuadernación de la coenzima NAD;
  2. Encuadernación del alcohol substrate por coordinación a zinc;
  3. Deprotonation de sus 51;
  4. Deprotonation de nicotinamide ribose;
  5. Deprotonation de Ser-48;
  6. Deprotonation del alcohol;
  7. La transferencia de Hydride del ión alkoxide a NAD, llevando a NADH y un zinc ligó aldehyde o ketone;
  8. Liberación del producto aldehyde;

El mecanismo en levadura y bacterias es el revés de esta reacción. Estos pasos se apoyan a través de estudios cinéticos.

Subunidades complicadas

El substrate se coordina al zinc y esta enzima tiene dos átomos de zinc por subunidad. Uno es el sitio activo, que se implica en la catálisis. Con el sitio activo, los ligands son Cys-46, Cys-174, Sus 67 y una molécula acuática. La otra subunidad se implica con la estructura.

En este mecanismo, el hydride del alcohol va a NAD. Las estructuras de cristal indican que Sus 51 deprotonates el nicotinamide ribose, que deprotonates Ser-48. Finalmente, Ser-48 deprotonates el alcohol, haciéndolo un aldehyde. Desde un punto de vista maquinal, si la enzima añade hydride a la cara re de NAD, el hidrógeno que resulta se incorpora en la posición pro-R. Las enzimas que añaden hydride a la cara de re se juzgan Clase Un dehydrogenases.

Sitio activo

El sitio activo consiste en un átomo de zinc, Sus 67, Cys-174, Cys-46, Ser-48, Sus 51, Ile-269, Val-292, Ala-317 y Phe-319. El zinc coordina el substrate (alcohol). El zinc es coordinado por Cys-46, Cys-174 y Sus 67. Phe-319, Ala-317, Sus 51, Ile-269 y Val-292 estabilizan NAD formando enlaces de hidrógeno. Sus 51 e Ile-269 forman enlaces de hidrógeno con el alcohols en nicotinamide ribose. Phe-319, Ala-317 y Val-292 forman enlaces de hidrógeno con el amide en NAD.

Sitio de zinc estructural

El alcohol mamífero dehydrogenases también tiene un sitio de zinc estructural. Este ión Zn desempeña un papel estructural y es crucial para la estabilidad de la proteína. Las estructuras de los sitios de zinc catalíticos y estructurales en el alcohol del hígado del caballo dehydrogenase (HLADH) como revelado en estructuras crystallographic, que se ha estudiado computacionalmente con el quántum químico así como con métodos de dinámica moleculares clásicos. El sitio de zinc estructural se forma de cuatro cysteine estrechamente espaciados ligands (Cys97, Cys100, Cys103 y Cys111 en la secuencia de aminoácidos) colocado en un tetraedro casi simétrico alrededor del ión de Zn. Un estudio reciente mostró que la interacción entre el zinc y cysteine es gobernada por principalmente una contribución electrostática con una contribución covalent adicional a la encuadernación.

Tipos

Humano

En la gente, ADH existe en formas múltiples como un dimer y es codificado por al menos siete genes diferentes. Hay cinco clases (I-V) de alcohol dehydrogenase, pero la forma de hepatic que se usa principalmente en la gente es la clase 1. La clase 1 consiste en α, β, y subunidades γ que son codificadas por los genes ADH1A, ADH1B y ADH1C. La enzima está presente a altos niveles en el hígado y el forro del estómago. Cataliza la oxidación de etanol a acetaldehyde:

:CHCHOH + NAD → CHCHO + NADH + H

Esto permite el consumo de bebidas alcohólicas, pero su objetivo evolutivo es probablemente la avería de alcohols naturalmente contenido en los alimentos o producido por bacterias en el aparato digestivo.

Otro objetivo evolutivo puede ser el metabolismo de la vitamina A de alcohol endógena (retinol), que genera el ácido retinoico hormonal, aunque la función aquí pueda ser principalmente la eliminación de niveles tóxicos de retinol.

El alcohol dehydrogenase también se implica en la toxicidad de otros tipos de alcohol: Por ejemplo, oxida el metanol para producir el glicol de etileno y formaldehído para ceder por último glycolic y ácidos oxálicos. La gente tiene al menos seis alcohol ligeramente diferente dehydrogenases. Cada uno es un dimer (es decir, consiste en dos polipéptidos), con cada dimer que contiene dos iones de zinc Zn. Uno de aquellos iones es crucial para la operación de la enzima: se localiza en el sitio catalítico y sostiene el grupo hydroxyl del alcohol en el lugar.

El alcohol dehydrogenase actividad varía entre hombres y mujeres, entre joven y viejo, y entre poblaciones de áreas diferentes del mundo. Por ejemplo, las mujeres jóvenes son incapaces de tratar el alcohol al mismo precio que jóvenes porque no expresan el alcohol dehydrogenase como muy, aunque, el inverso sea verdad entre el de mediana edad. El nivel de actividad sólo puede no ser dependiente al nivel de la expresión sino también a la diversidad allelic entre la población.

Los genes humanos que codifican la clase II, III, IV y V alcohol dehydrogenases son ADH4, ADH5, ADH7 y ADH6, respectivamente.

Levadura y bacterias

A diferencia de la gente, la levadura y las bacterias (excepto bacterias ácidas lácticas y E. coli en ciertas condiciones) no fermentan la glucosa a lactate. En cambio, lo fermentan al etanol y. La reacción total se puede ver abajo:

: Glucosa + 2 ADP + 2 Pi → 2 etanol + 2 CO + 2 ATP + 2 HO

En la levadura y muchas bacterias, el alcohol dehydrogenase desempeña un papel importante en la fermentación: el pyruvate que resulta de glycolysis se convierte a acetaldehyde y dióxido de carbono, y el acetaldehyde es reducido entonces al etanol por un alcohol dehydrogenase llamó ADH1. El objetivo de este paso último es la regeneración de NAD, de modo que la generación de la energía glycolysis pueda seguir. La gente explota este proceso para producir bebidas alcohólicas, dejando al fermento de la levadura varias frutas o granos. Es interesante notar que la levadura puede producir y consumir su propio alcohol.

El alcohol principal dehydrogenase en la levadura es más grande que la humana, consistiendo en cuatro, más bien que sólo dos subunidades. También contiene el zinc en su sitio web catalítico. Juntos con el alcohol que contiene el zinc los dehydrogenases de animales y gente, estas enzimas de levaduras y muchas bacterias forman a la familia de "cadena larga" - alcohol dehydrogenases.

La levadura de cerveza también tiene otro alcohol dehydrogenase, ADH2, que evolucionó de una versión duplicada del cromosoma que contiene el gene ADH1. ADH2 es usado por la levadura para convertir el etanol atrás en acetaldehyde, y sólo se expresa cuando la concentración de azúcar es baja. Tener estas dos enzimas permite que levadura produzca el alcohol cuando el azúcar es abundante (y este alcohol entonces mata a microbios competidores), y luego siga con la oxidación del alcohol una vez que el azúcar y el concurso, se van.

Plantas

En fábricas, catálisis de ADH la misma reacción que en levadura y bacterias para asegurar que haya un suministro constante de NAD.Maize tiene dos versiones de ADH - ADH1 y ADH2, Arabidopsis thaliana contiene sólo un gene ADH. La estructura de Arabidopsis ADH es el 47% conservado, con relación a ADH de hígado del caballo, estructuralmente y residuos funcionalmente importantes, como los siete residuos que proporcionan ligands a los átomos de zinc catalíticos y no catalíticos, sin embargo se conservan sugiriendo que las enzimas tengan una estructura similar. ADH constitutivamente se expresa a niveles bajos en las raíces de plantas jóvenes cultivadas en el agar-agar, si las raíces carecen del oxígeno, la expresión de aumentos de ADH considerablemente. Su expresión también se aumenta en respuesta a deshidratación, temperaturas bajas y al ácido abscisic y juega un papel importante en maduración de la fruta, planta de semillero y desarrollo del polen. Las diferencias en las secuencias de ADH en especies diferentes han sido usadas para crear phylogenies que muestra cómo las especies diferentes estrechamente relacionadas de plantas son. Es un gene ideal para usar debido a su talla conveniente (2-3 kilobytes de la longitud con ~1000 nucleotide codificación de la secuencia) y bajo copiar el número.

Contener el hierro

Una tercera familia de alcohol dehydrogenases, sin relaciones con los susodichos dos, es que contiene el hierro. Ocurren en bacterias y hongos. En comparación con enzimas las susodichas familias, estas enzimas son sensibles al oxígeno.

Los miembros del alcohol que contiene el hierro dehydrogenase familia incluyen:

Otros tipos

Una clase adicional de alcohol dehydrogenases pertenece a quinoenzymes y requiere quinoid cofactors (p.ej, pyrroloquinoline quinone, PQQ) como aceptadores de electrones ligados a la enzima. Un ejemplo típico para este tipo de la enzima es el metanol dehydrogenase de bacterias methylotrophic.

Aplicaciones

En la biotransformación, el alcohol dehydrogenases a menudo se usa para la síntesis de stereoisomers puro enantiomerically de chiral alcohols. A menudo, chemo-alto y enantioselectivity se pueden conseguir. Un ejemplo es el alcohol dehydrogenase de Lactobacillus brevis (LbADH) que se describe para ser biocatalyst versátil.

En pilas de combustible, el alcohol dehydrogenases puede ser usado para catalizar la avería de combustible para una pila de combustible de etanol. Los científicos de la universidad de San Luis han usado el alcohol apoyado por el carbón dehydrogenase con poly (metileno verde) como un ánodo, con una membrana nafion, para conseguir aproximadamente 50 μA/cm.

Significado clínico

Alcoholismo

Hubo estudios mostrando que ADH puede tener una influencia en la dependencia en el metabolismo de etanol en alcohólicos. Los investigadores han descubierto provisionalmente unos genes para tener que ver con el alcoholismo. Si las variantes de estos genes codifican formas que metabolizan más despacio de ADH2 y ADH3, hay peligro mayor del alcoholismo. Los estudios han encontrado que las mutaciones de ADH2 y ADH3 se relacionan con el alcoholismo en poblaciones asiáticas. Sin embargo, la investigación sigue a fin de identificar los genes y su influencia en el alcoholismo.

Drogodependencia

La drogodependencia es otro problema asociado con ADH, qué investigadores piensan se podría unir al alcoholismo. Un estudio particular sugiere que la drogodependencia tiene siete genes ADH asociados con él. Estos resultados pueden llevar a tratamientos que apuntan estos genes específicos. Sin embargo, más investigación es necesaria.

Véase también

Enlaces externos



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