Alkol dehidrojenaz - Alcohol dehydrogenase
alkol dehidrojenaz | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
tanımlayıcılar | |||||||||
AB numarası | 1.1.1.1 | ||||||||
CAS Numarası. | 9031-72-5 | ||||||||
veritabanları | |||||||||
IntEnz | IntEnz görünümü | ||||||||
BRENDA | BRENDA girişi | ||||||||
ExPASy | NiceZyme görünümü | ||||||||
fıçı | Fıçı girişi | ||||||||
MetaCyc | metabolik yol | ||||||||
PRİAM | profil | ||||||||
PDB yapıları | RCSB PDB PDBe PDB toplamı | ||||||||
Gen ontolojisi | AmiGO / QuickGO | ||||||||
|
Alkol dehidrojenaz ( ADH ) ( EC 1.1.1.1 ), bir grup dehidrojenaz enzimleri birçok organizmada ortaya arasındaki ara dönüşüm kolaylaştıran alkollerin ve aldehitlerin veya ketonların indirgenmesi ile nikotinamid adenin dinükleotid (NAD + NADH). Olarak , insanlarda ve diğer hayvanlarda , bunlar başka şekilde toksik olan alkoller yıkmak hizmet ederler ve aynı zamanda çeşitli biyosentezi sırasında yararlı bir aldehit, keton ya da bunların alkol gruplarının getirici katılmak metabolit . Olarak maya , bitki, ve bir çok bakteri , bir alkol dehidrojenazı katalize bir parçası olarak karşıt tepki fermantasyon NAD sabit bir kaynağı sağlamak için + .
Evrim
Çoklu organizmaların karşılaştırılmasından elde edilen genetik kanıtlar, bir sınıf III alkol dehidrojenaz (ADH-3/ADH5) ile aynı olan bir glutatyon bağımlı formaldehit dehidrojenazın , tüm ADH ailesi için atasal enzim olduğu varsayılır. Evrimin başlarında, hem endojen hem de eksojen formaldehitin elimine edilmesi için etkili bir yöntem önemliydi ve bu kapasite zaman içinde atalardan kalma ADH-3'ü korudu. ADH-3'ün gen kopyalanması , ardından bir dizi mutasyon, diğer ADH'lerin evrimine yol açtı.
Şekerden etanol üretme yeteneğinin (alkollü içeceklerin nasıl yapıldığının temelidir) başlangıçta mayada geliştiğine inanılmaktadır . Bu özellik enerji açısından uyarlanabilir olmasa da, maya hücreleri diğer organizmalar için toksik olacak kadar yüksek konsantrasyonlarda alkol yaparak rekabetlerini etkili bir şekilde ortadan kaldırabilir. Çürüyen meyve %4'ten fazla etanol içerebildiğinden, meyveyi yiyen hayvanların eksojen etanolü metabolize etmek için bir sisteme ihtiyacı vardı. Bunun, maya dışındaki türlerde etanol aktif ADH'nin korunmasını açıkladığı düşünülüyordu, ancak ADH-3'ün artık nitrik oksit sinyalleşmesinde de önemli bir rolü olduğu biliniyor .
İnsanlarda, (bir alkol dehidrojenaz polipeptidinin üretiminden sorumlu olan) ADH1B geninin sekanslanması , birkaç fonksiyonel varyant gösterir. Birinde, olgun polipeptitte 47. pozisyonda bir Histidin veya bir Arginin tortusuna yol açan bir SNP (tek nükleotid polimorfizmi) vardır. Histidin varyantında, enzim yukarıda bahsedilen dönüşümde çok daha etkilidir. Bununla birlikte, asetaldehitin asetata dönüştürülmesinden sorumlu enzim etkilenmeden kalır, bu da farklı substrat kataliz oranlarına yol açar ve hücre hasarına neden olan toksik asetaldehit birikmesine neden olur. Bu, aşırı alkol tüketimine ve alkol bağımlılığına (alkolizm) karşı bir miktar koruma sağlar. Bu mutasyondan kaynaklanan çeşitli haplotipler, düşük alkol toleransı ve bağımlılığı ile de bilinen Doğu Çin yakınlarındaki bölgelerde daha yoğundur.
Alelik dağılım ve alkolizm arasında bir ilişki bulmak için bir araştırma yapılmış ve sonuçlar alelik dağılımın 12.000 ila 6.000 yıl önce bölgede pirinç ekimi ile birlikte ortaya çıktığını göstermektedir. Pirincin yetiştirildiği bölgelerde, pirinç de etanol içine fermente edildi. Bu, artan alkol mevcudiyetinin alkolizme ve kötüye kullanıma yol açtığı ve üreme zindeliğinin daha düşük olduğu yönündeki spekülasyonlara yol açtı. Varyant aleline sahip olanlar alkole karşı çok az toleransa sahiptir, bu nedenle bağımlılık ve kötüye kullanım şansını azaltır. Hipotez, Histidin varyant enzimine sahip bireylerin, farklı üreme başarısının ortaya çıktığı ve karşılık gelen alellerin nesiller boyunca aktarıldığı alkolün etkilerine karşı yeterince duyarlı olduklarını öne sürer. Klasik Darwinci evrim , alel taşıyan bireylerin düşük üreme başarısı nedeniyle enzimin zararlı formuna (Arg varyantı) karşı seçim yapacaktı. Sonuç, en uzun seçici baskı altında olan bölgelerde His-varyant enziminden sorumlu allelin daha yüksek frekansı olacaktır. His varyantının dağılımı ve sıklığı, pirinç ekiminin Asya'nın iç bölgelerine yayılmasını takip ederken, His varyantının en uzun süre pirinç yetiştiren bölgelerde daha yüksek frekansları vardır. Alellerin coğrafi dağılımı, bu nedenle, üreme başarısı daha düşük olan bireylere, yani Arg varyant alelini taşıyan ve alkolizme daha duyarlı olanlara karşı doğal seçilimin bir sonucu gibi görünüyor. Bununla birlikte, diğer popülasyonlarda Arg varyantının kalıcılığı, etkinin güçlü olamayacağını savunuyor.
keşif
İlk izole edilen alkol dehidrojenaz (ADH), 1937'de Saccharomyces cerevisiae'den (bira mayası) saflaştırıldı . At karaciğeri ADH enzimi için katalitik mekanizmanın birçok yönü Hugo Theorell ve çalışma arkadaşları tarafından araştırıldı. ADH ayrıca amino asit dizisi ve üç boyutlu yapısı belirlenen ilk oligomerik enzimlerden biriydi.
1960'ların başlarında, Drosophila cinsinin meyve sineklerinde keşfedildi .
Özellikler
Alkol dehidrojenazları , sırasıyla birincil ve ikincil alkollerin aldehitlere ve ketonlara oksidasyonunu katalize eden ve ayrıca ters reaksiyonu katalize edebilen birkaç izozimden oluşan bir grup içerir . Memelilerde bu, koenzim nikotinamid adenin dinükleotidi (NAD + ) içeren bir redoks (redüksiyon/oksidasyon) reaksiyonudur .
alkolün oksidasyonu
İnsanlarda etki mekanizması
adımlar
- Koenzim NAD + bağlanması
- Çinko(II) iyonuna koordinasyon ile alkol substratının bağlanması
- His-51'in Deprotonasyonu
- Nikotinamid ribozun deprotonasyonu
- Thr-48'in Deprotonasyonu
- Alkolün protondan arındırılması
- Alkoksit iyonundan NAD + 'ya hidrit transferi, NADH ve çinko bağlı aldehit veya ketona yol açar
- Ürün aldehitinin serbest bırakılması.
Maya ve bakterilerdeki mekanizma bu reaksiyonun tersidir. Bu adımlar kinetik çalışmalarla desteklenir.
İlgili alt birimler
Substrat çinko ile koordinelidir ve bu enzimin alt birimi başına iki çinko atomu vardır. Biri, katalizde yer alan aktif bölgedir. Aktif bölgede ligandlar Cys-46, Cys-174, His-67 ve bir su molekülüdür. Diğer alt birim yapı ile ilgilidir. Bu mekanizmada alkolden gelen hidrit NAD +'a gider . Kristal yapılar, His-51'in Ser-48'i protonsuzlaştıran nikotinamid ribozu protonsuzlaştırdığını gösterir. Son olarak, Ser-48 alkolü deprotone ederek bir aldehit yapar. Mekanistik bir perspektiften, eğer enzim NAD + 'ın yüzeyine hidrit eklerse , ortaya çıkan hidrojen pro-R pozisyonuna dahil edilir. Yüzeye hidrit ekleyen enzimler, A Sınıfı dehidrojenazlar olarak kabul edilir.
Aktif site
İnsan ADH1'inin (PDB:1HSO) aktif bölgesi bir çinko atomu, His-67, Cys-174, Cys-46, Thr-48, His-51, Ile-269, Val-292, Ala-317 ve Phe-319. Yaygın olarak incelenen at karaciğeri izoformunda Thr-48 bir Ser ve Leu-319 bir Phe'dir. Çinko, substratı (alkol) koordine eder. Çinko, Cys-46, Cys-174 ve His-67 tarafından koordine edilir. Leu-319, Ala-317, His-51, Ile-269 ve Val-292 hidrojen bağları oluşturarak NAD +'ı stabilize eder . His-51 ve Ile-269, nikotinamid riboz üzerindeki alkollerle hidrojen bağları oluşturur. Phe-319, Ala-317 ve Val-292, NAD + üzerindeki amid ile hidrojen bağları oluşturur .
Yapısal çinko sitesi
Memeli alkol dehidrojenazları ayrıca yapısal bir çinko bölgesine sahiptir. Bu Zn iyonu yapısal bir rol oynar ve protein stabilitesi için çok önemlidir. At karaciğeri alkol dehidrojenazındaki (HLADH) katalitik ve yapısal çinko bölgelerinin yapıları, klasik moleküler dinamik yöntemlerinin yanı sıra kuantum kimyasalı ile hesaplamalı olarak incelenen kristalografik yapılarda ortaya konduğu gibi. Yapısal çinko bölgesi, Zn iyonu etrafında neredeyse simetrik bir tetrahedron içinde konumlanmış dört yakın aralıklı sistein ligandından (amino asit dizisinde Cys97, Cys100, Cys103 ve Cys111) oluşur. Yakın zamanda yapılan bir çalışma, çinko ve sistein arasındaki etkileşimin, öncelikle bağlanmaya ek bir kovalent katkı ile birlikte bir elektrostatik katkı tarafından yönetildiğini göstermiştir.
Türler
İnsan
İnsanlarda ADH, bir dimer olarak birçok formda bulunur ve en az yedi farklı gen tarafından kodlanır. Alkol dehidrojenazın beş sınıfı (IV) vardır, ancak esas olarak insanlarda kullanılan hepatik formlar sınıf 1'dir. Sınıf 1, ADH1A , ADH1B ve ADH1C genleri tarafından kodlanan α, β ve γ alt birimlerinden oluşur . Enzim karaciğerde ve mide zarında yüksek seviyelerde bulunur . Bu katalize oksidasyonu ve etanol ile asetaldehid (etanal):
- CH 3 CH 2 , OH + NAD + → CH 3 -CHO + NADH + H +
Bu tüketimini verir alkollü içecekler , ancak evrimsel amaç muhtemelen alkoller doğal gıdalarda bulunan veya üretilen detayı bakteri içinde sindirim sistemi .
Başka bir evrimsel amaç, retinoik asit hormonunu üreten endojen alkol A vitamininin ( retinol ) metabolizması olabilir , ancak buradaki işlev öncelikle toksik retinol seviyelerinin ortadan kaldırılması olabilir.
|
|
|
Alkol dehidrojenaz, diğer alkol türlerinin toksisitesinde de rol oynar: Örneğin, formaldehit ve nihayetinde formik asit üretmek için metanol oksitler . İnsanlarda en az altı hafif farklı alkol dehidrojenaz bulunur. Her biri bir dimerdir (yani iki polipeptitten oluşur ), her dimer iki çinko iyonu Zn2 + içerir . Bu iyonlardan biri enzimin çalışması için çok önemlidir: Katalitik bölgede bulunur ve alkolün hidroksil grubunu yerinde tutar .
Alkol dehidrojenaz aktivitesi, erkekler ve kadınlar arasında, genç ve yaşlı arasında ve dünyanın farklı bölgelerinden gelen popülasyonlar arasında farklılık gösterir. Örneğin, genç kadınlar alkol dehidrojenazı yüksek oranda ifade etmedikleri için genç erkeklerle aynı oranda alkolü işleyemezler, ancak orta yaşlılar arasında bunun tersi doğrudur. Aktivite düzeyi, yalnızca ifade düzeyine değil, aynı zamanda popülasyondaki allel çeşitliliğine de bağlı olabilir .
Sınıf II, III, IV ve V alkol dehidrojenazlarını kodlayan insan genleri sırasıyla ADH4 , ADH5 , ADH7 ve ADH6'dır .
|
|
|
|
Maya ve bakteri
İnsanlardan farklı olarak, maya ve bakteriler ( belirli koşullarda laktik asit bakterileri ve E. coli hariç ) glikozu laktata fermente etmezler. Bunun yerine, etanol ve bunu mayalanmaya CO
2. Genel reaksiyon aşağıda görülebilir:
- Glikoz + 2 ADP + 2 Pi → 2 etanol + 2 CO 2 + 2 ATP + 2 H 2 O
Olarak maya ve bir çok bakteri : alkol dehidrojenaz fermantasyonunda önemli bir rol oynar Piruvat kaynaklanan glikoliz asetaldehid dönüştürülür ve karbon dioksit ve asetaldehit sonra ADH1 adı dehidrojenaz bir alkol ile, etanol indirgenir. Bu son adımın amacı , enerji üreten glikolizin devam edebilmesi için NAD +' nın yenilenmesidir . İnsanlar, mayanın çeşitli meyveleri veya tahılları fermente etmesine izin vererek alkollü içecekler üretmek için bu süreçten yararlanır. Maya kendi alkolünü üretebilir ve tüketebilir.
Mayadaki ana alkol dehidrojenaz, insandan daha büyüktür ve sadece iki değil dört alt birimden oluşur. Ayrıca katalitik bölgesinde çinko içerir. Hayvanların ve insanların çinko içeren alkol dehidrojenazlarıyla birlikte, mayalardan ve birçok bakteriden gelen bu enzimler "uzun zincirli" alkol dehidrojenaz ailesini oluşturur.
Bira mayası ayrıca, ADH1 genini içeren kromozomun çift bir versiyonundan gelişen ADH2 adlı başka bir alkol dehidrojenazına sahiptir . ADH2 , maya tarafından etanolü tekrar asetaldehite dönüştürmek için kullanılır ve sadece şeker konsantrasyonu düşük olduğunda ifade edilir. Bu iki enzime sahip olmak, şeker bol olduğunda mayanın alkol üretmesine izin verir (ve bu alkol daha sonra rakip mikropları öldürür) ve şeker ve rekabet ortadan kalktığında alkolün oksidasyonu ile devam eder.
Bitkiler
Bitkilerde, ADH, sürekli bir NAD + kaynağı olmasını sağlamak için maya ve bakterilerdeki ile aynı reaksiyonu katalize eder . Mısır , ADH - ADH1 ve ADH2'nin iki versiyonuna sahiptir, Arabidopsis thaliana sadece bir ADH geni içerir. Yapısı , Arabidopsis ADH% 47 at karaciğer ADH ile, göreceli olarak -conserved olup. Bununla birlikte, katalitik ve katalitik olmayan çinko atomları için ligandlar sağlayan yedi kalıntı gibi yapısal ve işlevsel olarak önemli kalıntılar korunur, bu da enzimlerin benzer bir yapıya sahip olduğunu gösterir. ADH, agarda yetiştirilen genç bitkilerin köklerinde yapısal olarak düşük seviyelerde ifade edilir. Köklerde oksijen yoksa, ADH ekspresyonu önemli ölçüde artar. Dehidrasyona, düşük sıcaklıklara ve absisik aside tepki olarak ekspresyonu da artar ve meyve olgunlaşmasında, fide gelişiminde ve polen gelişiminde önemli bir rol oynar. Farklı türlerdeki ADH dizilerindeki farklılıklar, farklı bitki türlerinin ne kadar yakından ilişkili olduğunu gösteren filogeniler oluşturmak için kullanılmıştır . Uygun boyutu (~1000 nükleotid kodlama dizisi ile 2–3 kb uzunluğunda) ve düşük kopya sayısı nedeniyle kullanmak için ideal bir gendir.
demir içeren
Demir içeren alkol dehidrojenaz | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
tanımlayıcılar | |||||||||
Sembol | Fe-ADH | ||||||||
Pfam | PF00465 | ||||||||
Pfam klanı | CL0224 | ||||||||
InterPro | IPR001670 | ||||||||
PROZİT | PDOC00059 | ||||||||
SCOP2 | 1jqa / KAPSAM / SUPFAM | ||||||||
|
Yukarıdaki ikisiyle ilgisi olmayan üçüncü bir alkol dehidrojenaz ailesi, demir içerenlerdir. Bakteri ve mantarlarda bulunurlar. Yukarıdaki ailelerin enzimleriyle karşılaştırıldığında, bu enzimler oksijene duyarlıdır. Demir içeren alkol dehidrojenaz ailesinin üyeleri şunları içerir:
- Saccharomyces cerevisiae alkol dehidrojenaz 4 (gen ADH4)
- Zymomonas mobilis alkol dehidrojenaz 2 (gen adhB)
- Escherichia coli, propandiol oksidoredüktaz EC 1.1.1.77 (gen fuko), bir enzim katılan metabolizma ve fukoz ve aynı zamanda içeren görünüyor demir iyonu (s).
- Clostridium acetobutylicum , NADPH - ve NADH bağımlı bütanol dehidrojenazlar EC 1.1.1.- (genler ADH1, bdhA ve bdhB), aktivitesi kullanılarak sahip enzimler butanol ve etanol olduğu gibi alt tabakalar .
- E. coli adhE, üç farklı aktiviteye sahip demire bağlı bir enzimdir: alkol dehidrojenaz, asetaldehit dehidrojenaz (asetilleyici) EC 1.2.1.10 ve piruvat-format-liyaz deaktivaz.
- Bakteriyel gliserol dehidrojenaz EC 1.1.1.6 (gen gldA veya dhaD).
- Clostridium kluyveri NAD'ye bağımlı 4-hidroksibutirat dehidrojenaz (4hbd) EC 1.1.1.61
- Citrobacter freundii ve Klebsiella pneumoniae 1,3-propandiol dehidrogenaz EC 1.1.1.202 (gen dhaT)
- Bacillus metanolicus NAD'ye bağlı metanol dehidrojenaz EC 1.1.1.244
- E. coli ve Salmonella typhimurium etanolamin kullanım proteini eutG.
- E. coli varsayımsal protein yiaY.
Diğer çeşitler
Diğer bir alkol dehidrojenaz sınıfı, kinoenzimlere aittir ve enzime bağlı elektron alıcıları olarak kinoit kofaktörleri (örneğin, pirolokinolin kinon, PQQ) gerektirir. Bu tip enzim için tipik bir örnek, metilotrofik bakterilerin metanol dehidrojenazıdır.
Uygulamalar
Biyotransformasyonda, alkol dehidrojenazları genellikle kiral alkollerin enantiyomerik olarak saf stereoizomerlerinin sentezi için kullanılır. Çoğu zaman, yüksek kemo- ve enantiyoseçicilik elde edilebilir. Bir örnek, çok yönlü bir biyokatalizör olduğu açıklanan Lactobacillus brevis'ten ( Lb ADH) alkol dehidrojenazdır . Yüksek kemospesifiklik, iki potansiyel redoks bölgesi sunan substratlar durumunda da doğrulanmıştır. Örneğin sinnamaldehit hem alifatik çift bağ hem de aldehit işlevi sunar. Geleneksel katalizörlerden farklı olarak, alkol dehidrojenazlar, yalnızca ikincisi üzerinde seçici olarak etki edebilir ve yalnızca sinnamil alkol verir .
Yakıt hücrelerinde, bir etanol yakıt hücresi için yakıtın parçalanmasını katalize etmek için alkol dehidrojenazlar kullanılabilir . Bilim adamları Saint Louis University poli (ile ikinci karbon destekli alkol dehidrojenaz sahip metilen yeşil a, bir anot olarak) nafyon μ yaklaşık 50 ila elde etmek için, zar bir / cm 2 .
1949'da E. Racker , standart test koşulları altında optik yoğunlukta dakikada 0.001'lik bir değişikliğe neden olan miktar olarak bir birim alkol dehidrojenaz aktivitesini tanımladı . Son zamanlarda, enzimatik biriminin uluslararası tanım (AB) daha sık olmuştur: Alkol Dehidrojenazın bir birim 1.0 umol dönüştürür etanol için asetaldehit , 25 ° C'de pH 8.8 de dakikada.
Klinik önemi
Alkolizm
ADH'de etanol metabolizmasını etkileyen varyasyonların alkol bağımlılığı riski üzerinde etkisi olduğunu gösteren çalışmalar yapılmıştır . En güçlü etki, alkolün asetaldehite dönüşme hızını artıran ADH1B'deki değişikliklerden kaynaklanmaktadır. Böyle bir varyant en çok Doğu Asya ve Orta Doğu'daki bireylerde, bir diğeri ise Afrika'daki bireylerde en yaygın olanıdır. Her iki varyant da alkolizm riskini azaltır, ancak buna rağmen bireyler alkolik olabilir. Araştırmacılar geçici olarak alkolizmle ilişkili birkaç başka gen tespit ettiler ve bulunacak daha birçok gen olması gerektiğini biliyorlar. Genleri ve alkolizm üzerindeki etkilerini belirlemek için araştırmalar devam ediyor.
Uyuşturucu bağımlısı
Uyuşturucu bağımlılığı, araştırmacıların alkolizmle bağlantılı olabileceğini düşündüğü ADH ile ilişkili başka bir sorundur. Belirli bir çalışma, uyuşturucu bağımlılığının onunla ilişkili yedi ADH geni olduğunu öne sürüyor, ancak daha fazla araştırma gerekli. Alkol bağımlılığı ve diğer uyuşturucu bağımlılığı bazı risk faktörlerini paylaşabilir, ancak alkol bağımlılığı sıklıkla diğer uyuşturucu bağımlılıkları ile birlikte görüldüğünden, ADH'nin diğer uyuşturucu bağımlılıkları ile ilişkisi nedensel olmayabilir.
Zehirlenme
Alkol dehidrojenazı rekabetçi bir şekilde inhibe eden bir ilaç olan fomepizol , akut metanol veya etilen glikol toksisitesi durumunda kullanılabilir. Bu, metanol veya etilen glikolün toksik metabolitlerine (örneğin formik asit , formaldehit veya glikolat ) dönüşmesini engeller . Aynı etki bazen yine ADH'nin rekabetçi inhibisyonu ile etanol ile de elde edilir .
İlaç metabolizması
İlaç hidroksizin , alkol dehidrojenaz ile aktif metabolit setirizine parçalanır . Alkol grupları içeren diğer ilaçlar, sterik engel alkolün aktif bölgeye ulaşmasını engellemediği sürece benzer şekilde metabolize edilebilir.
Ayrıca bakınız
- Alkol dehidrojenaz (NAD(P)+)
- aldehit dehidrojenaz
- oksidoredüktaz
- Metabolizma hızları için kandaki alkol içeriği
Referanslar
Dış bağlantılar
- PDBsum , Protein Veri Bankasında bulunan çeşitli alkol dehidrojenazların üç boyutlu yapılarına bağlantılara sahiptir.
- ExPASy alkol dehidrojenaz dizilerine bağlantılar içerir Swiss-Prot a, Medline enzim ile ilgili literatür araştırması, ve diğer veritabanları girdilere.
- PDBe-KB , Alkol dehidrojenaz 1A için PDB'de bulunan tüm yapı bilgilerine genel bir bakış sağlar.
- PDBe-KB , Alkol dehidrojenaz 1B için PDB'de bulunan tüm yapı bilgilerine genel bir bakış sağlar.
- PDBe-KB , Alkol dehidrojenaz 1C için PDB'de bulunan tüm yapı bilgilerine genel bir bakış sağlar.
- PDBe-KB , Alkol dehidrojenaz 4 için PDB'de bulunan tüm yapı bilgilerine genel bir bakış sağlar.
- PDBe-KB , Alkol dehidrojenaz sınıf-3 için PDB'de bulunan tüm yapı bilgilerine genel bir bakış sağlar.