Alkoholdehydrogenase
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- Oxidoreduktase
Als Alkoholdehydrogenasen (ADH) werden Enzyme bezeichnet, die sowohl die Reaktion von Alkoholen zu den entsprechenden Aldehyden oder Ketonen, als auch die Rückreaktion dieser (Aldehyd zu Alkohol), katalysieren. Beispiele hierfür sind der letzte Schritt der Alkoholischen Gärung durch Hefe, bei der Acetaldehyd zu Ethanol umgewandelt wird, als auch die umgekehrte Variante (Ethanol zu Acetaldehyd), die im menschlichen Körper im Rahmen des Alkoholabbaus stattfindet. Es handelt sich in jedem Fall um Redoxreaktionen. Alkoholdehydrogenasen kommen in allen Lebewesen vor.
Die katalysierten Reaktionen:
- $ \mathrm {R{\text{-}}CH(OH){\text{-}}{\text{-}}R'+NAD^{+}\rightleftharpoons \;R{\text{-}}CO{\text{-}}R'+NADH+H^{+}} $
- Sekundärer Alkohol und NAD+ werden zu Keton und NADH umgesetzt und umgekehrt
- $ \mathrm {R{\text{-}}CH_{2}{\text{-}}OH+NAD^{+}\rightleftharpoons \;R{\text{-}}CO{\text{-}}H+NADH+H^{+}} $
- Primärer Alkohol und NAD+ werden zu Aldehyd und NADH umgesetzt und umgekehrt
ADH-Isoenzyme im Menschen
Im Menschen koexistieren mindestens fünf unterschiedliche Alkoholdehydrogenasen. Alle sind Dimere aus zwei Polypeptidketten, wobei jede Untereinheit zwei Zinkionen (Zn2+) enthält und zwischen 374-386 Aminosäuren lang ist. Eines dieser Ionen ist essenziell für die Funktion des Enzyms: Es ist am aktiven Zentrum lokalisiert und stabilisiert die Hydroxylgruppe des Alkohols.
| Klasse | Mögliche Untereinheit | Eigenschaften | ||
|---|---|---|---|---|
| Gen-Name | UniProt | OMIM | ||
| I | ADH1A | P07327 | 103700 | Ethanoloxidation |
| ADH1B | P00325 | 103720 | ||
| ADH1C | P00326 | 103730 | ||
| II | ADH4 | P08319 | 103740 | 3,4-Dihydroxyphenylglycol- und 4-Hydroxy-3-methoxyphenylglycol-Biosynthese, sowie Benzaldehyd-Hydrogenierung (im Abbau von Adrenalin und Noradrenalin)[1] Retinol-Metabolismus[2] |
| III | ADH5 | P11766 | 103710 | Glutathion-abhängige Formaldehyd-Dehydrogenierung (EC 1.1.1.284)[3] |
| IV | ADH6 | P28332 | 103735 | Ethanoloxidation, Benzylalkohol[4] |
| V | ADH7 | P40394 | 103700 | Retinoloxidation, Ethanoloxidation (nur hohe Konzentrationen) |
Klasse-I ADH
Die Alkoholdehydrogenase 1 dient im Menschen und in vielen Tieren dem Abbau von toxischen Alkoholen. Das in Magen und Leber vorhandene Enzym katalysiert hauptsächlich die Oxidation von Ethanol zu Acetaldehyd unter Beteiligung des Cofaktors NAD+:
- $ \mathrm {C_{2}H_{5}OH+NAD^{+}\rightleftharpoons \;C_{2}H_{4}O+NADH+H^{+}} $
- Ethanol und NAD+ werden zu Acetaldehyd und NADH umgesetzt und umgekehrt
Im menschlichen Körper kommt ADH1 vor allem in der Leber, aber auch im Magen vor. Ethanol aus alkoholischen Getränken wird wieder in Acetaldehyd (auch Ethanal genannt) umgewandelt, anschließend durch Acetaldehyddehydrogenase in Essigsäure und dann durch den Citratzyklus in Wasser und Kohlenstoffdioxid. Für das Einschleusen in den Citratzyklus ist das Enzym Acetyl-CoA-Synthetase notwendig, welches unter ATP-Verbrauch Acetyl-CoA bildet.
Die Menge des ADH1-Enzyms im Körper ist von Person zu Person unterschiedlich und bestimmt, wie schnell der getrunkene Alkohol im Körper abgebaut wird. Wie viel Alkohol ein Mensch verträgt (im Sinne von „Trinkfestigkeit“) ist von vielen Faktoren abhängig, z. B. der Gewohnheit, mit einem hohen Alkoholgehalt umzugehen. Im Allgemeinen haben Ostasiaten, indigene Völker Amerikas und Aborigines Australiens eher geringe Mengen ADH im Körper, und Frauen weniger als Männer.[5][6]
Alkoholdehydrogenase 1 ist verantwortlich für die Toxizität von anderen Alkoholen: zum Beispiel oxidiert sie Methanol zu dem wesentlich giftigeren Produkt Methanal (Formaldehyd), und Ethylenglycol zu Glycol- und Oxalsäure. Die konventionelle Behandlung dieser Art von Vergiftungen besteht in der Applikation von Ethanol (Kompetitive Hemmung der ADH1 durch Ethanol), der bevorzugt in der Leber umgesetzt wird. Solange der Ethanolabbau stattfindet, wird das Methanol durch die Nieren ausgeschieden. Somit tritt keine Vergiftung des Körpers durch das Methanal auf. Außerdem existiert mit Fomepizole (4-Methylpyrazol) die Möglichkeit ADH1 kompetitiv zu hemmen. Ein weiterer Inhibitor ist 2-Fluorethanol. Außerdem hemmen alle Rheumamittel/Schmerzmittel vom Typ der NSAR die ADH mehr oder minder stark.[7]
Funktionen
In Hefen und vielen Bakterien spielt die Alkoholdehydrogenase eine wichtige Rolle in der Gärung (vgl. Abbildung):
Pyruvat aus der Glykolyse wird in Acetaldehyd und Kohlenstoffdioxid umgesetzt, was eine Pyruvatdecarboxylase (EC 4.1.1.1) katalysiert. Anschließend wird der Aldehyd durch die ADH unter Verbrauch von NADH zu Ethanol reduziert. Auf diese Weise wird für die Glykolyse benötigtes NAD+ regeneriert. ADH aus Hefe ist größer als die menschliche und besteht aus vier Untereinheiten. Ihr aktives Zentrum besitzt Zink als Metallion. Dennoch sind die Enzyme aus Pilz und Mensch nahe verwandt.[8]
In Insekten wie der Fruchtfliege kommt eine der menschlichen nicht verwandte Alkoholdehydrogenase vor, an die kein Metallion gebunden ist.[9]
Eine dritte Klasse der Alkoholdehydrogenasen enthält Eisen als Zentralion. Diese existieren in Bakterien, und eine (anscheinend inaktive) Form wurde in Hefe gefunden.[10]
Weiterführende Literatur
- Chou CF, Lai CL, Chang YC, Duester G, Yin SJ: Kinetic mechanism of human class IV alcohol dehydrogenase functioning as retinol dehydrogenase. In: J. Biol. Chem. 277. Jahrgang, Nr. 28, Juli 2002, S. 25209–25216, doi:10.1074/jbc.M201947200, PMID 11997393.
Einzelnachweise
- ↑ G. Mårdh, A. L. Dingley u. a.: Human class II (pi) alcohol dehydrogenase has a redox-specific function in norepinephrine metabolism. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Band 83, Nummer 23, Dezember 1986, S. 8908–8912. PMID 3466164. PMC 387042 (freier Volltext).
- ↑ S. Martras, R. Alvarez u. a.: Kinetics of human alcohol dehydrogenase with ring-oxidized retinoids: effect of Tween 80. In: Archives of biochemistry and biophysics. Band 430, Nummer 2, Oktober 2004, S. 210–217, ISSN 0003-9861. doi:10.1016/j.abb.2004.07.002. PMID 15369820.
- ↑ K. Engeland, J. O. Höög u. a.: Mutation of Arg-115 of human class III alcohol dehydrogenase: a binding site required for formaldehyde dehydrogenase activity and fatty acid activation. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Band 90, Nummer 6, März 1993, S. 2491–2494. PMID 8460164. PMC 46113 (freier Volltext).
- ↑ C. S. Chen, A. Yoshida: Enzymatic properties of the protein encoded by newly cloned human alcohol dehydrogenase ADH6 gene. In: Biochemical and biophysical research communications. Band 181, Nummer 2, Dezember 1991, S. 743–747, ISSN 0006-291X. PMID 1755855.
- ↑ Parlesak A, Billinger MH, Bode C, Bode JC: Gastric alcohol dehydrogenase activity in man: influence of gender, age, alcohol consumption and smoking in a caucasian population. In: Alcohol Alcohol. 37. Jahrgang, Nr. 4, 2002, S. 388–93, PMID 12107043.
- ↑ Dohmen K, Baraona E, Ishibashi H, et al.: Ethnic differences in gastric sigma-alcohol dehydrogenase activity and ethanol first-pass metabolism. In: Alcohol. Clin. Exp. Res. 20. Jahrgang, Nr. 9, Dezember 1996, S. 1569–1576, PMID 8986205.
- ↑ Battistella M: Fomepizole as an antidote for ethylene glycol poisoning. In: Ann Pharmacother. 36. Jahrgang, Nr. 6, Juni 2002, S. 1085–1089, PMID 12022913.
- ↑ Leskovac V, Trivić S, Pericin D: The three zinc-containing alcohol dehydrogenases from baker's yeast, Saccharomyces cerevisiae. In: FEMS Yeast Res. 2. Jahrgang, Nr. 4, Dezember 2002, S. 481–494, PMID 12702265.
- ↑ Heinstra PW, Thörig GE, Scharloo W, Drenth W, Nolte RJ: Kinetics and thermodynamics of ethanol oxidation catalyzed by genetic variants of the alcohol dehydrogenase from Drosophila melanogaster and D. simulans. In: Biochim. Biophys. Acta. 967. Jahrgang, Nr. 2, November 1988, S. 224–33, PMID 3142528.
- ↑ Yabe, M.; Shitara, K.; Kawashima, J.; Shinoyama, H.; Ando, A.; Fujii, T.; Biosci. Biotechnol. Biochem. 56, 338–339 (1992)
