Az alkohol-dehidrogenázok (ADH; ) dehidrogenázok csoportja, melyek számos élőlényben fordulnak elő, és az alkoholok aldehidekké vagy ketonokká való alakulását katalizálja a nikotinamid-adenin-dinukleotid () NADH-vá való redukciójával. Az emberben és sok más állatban mérgező alkoholokat bontanak le, és részt vesznek hasznos aldehidek, ketonok és alkoholok létrehozásában különböző metabolitok bioszintézisével. Az élesztőben, a növényekben és sok baktériumban egyes alkohol-dehidrogenázok a fordított reakciót katalizálják az erjedés részeként, lehetővé téve állandó -tartalékot.
Fejlődése Több élőlény összehasonlításából kiderült, hogy egy ADH-3-hoz hasonló glutationdependens formaldehid-dehidrogenáz lehetett az alkohol-dehidrogenázok közös őse. Eleinte a formaldehid eltávolításának hatékony módja fontos volt, így megmaradt az ősi ADH-3, melyből mutációkkal kialakult a többi ADH.
Az etanol cukorból való előállításának módja (mely az alkoholos italok előállításának alapja) feltehetően eleinte az élesztőben jelent meg. Bár ez energetikailag nem adaptív, de a más szervezeteknek toxikus mennyiségű etanol előállítása révén az élesztő hatékonyan elpusztíthatta versenytársait. Mivel a rothadó termés akár több mint 4% etanolt is tartalmazhat, az azt evő állatoknak ezt át kellett alakítaniuk. Erről korábban feltételezték, hogy az etanolaktív ADH élesztőn kívüli megmaradását magyarázza, azonban az ADH-3-nak fontos szerepe van a nitrogén-monoxid-jeltranszdukcióban.
Az egyik alkohol-dehidrogenáz-peptidért felelős humán ADH1B gén szekvenálása több működő változatot mutat. Egy esetben egynukleotidos polimorfizmus (SNP) található, így az érett polipeptid 47. aminosava His vagy Arg. A His-változat a fenti reakciót hatékonyabban végzi el. Az acetaldehidet acetáttá alakító enzim azonban változatlan, így a szubsztrátkatalízis eltérő mértékű, acetaldehid-növekedést, így sejtkárosodást okozva. Ez védhet a túlzott alkoholfogyasztás és a -függőség ellen. Egyes e mutáció okozta haplotípusok jobban koncentrálódnak Kelet-Kína körüli régiókban, ahol így alacsony az alkoholtolerancia és a -függőség.
Egy alléleloszlás és alkoholizmus közti korrelációt kereső tanulmány szerint a mutáció a rizstermesztés megjelenésével jelent meg –6000 évvel ezelőtt. A rizstermesztő régiókban a rizst erjesztették is. Eszerint a nagyobb alkohol-hozzáférhetőség alkoholizmushoz, alkohollal való visszaéléshez vezetett, csökkentve a rátermettséget. A módosult allél hordozói kevésbé tolerálják az alkoholt, csökkentve a függés és a visszaélés esélyét. E hipotézis szerint a His-változattal rendelkezők elég érzékenyek voltak az eltérő reproduktív sikerhez, s a megfelelő allélek a következő generációkhoz is továbbmentek. A klasszikus darwini evolúció szerint az Arg-enzimváltozat ellen van a szelekció az ezzel rendelkezők kisebb reproduktív sikere miatt. Ez növeli a His-változat valószínűségét a leginkább szelekciós nyomás alatt lévő régiókban. A His-változat eloszlása és gyakorisága a rizstermesztés elterjedését követi Ázsia belsőbb részeibe: a legtovább rizst termesztő területeken a His-változat gyakoribb. A földrajzi alléleloszlás szerint az alacsonyabb reproduktív sikerű, vagyis az Arg-változatot hordozó emberekkel szemben van szelekció, akik érzékenyebbek voltak az alkoholizmusra. Azonban az Arg-változat máshol való fennmaradása alapján e hatás nem túl erős. Felfedezése bélyegkép|jobbra|Ló-LADH (májalkohol-dehidrogenáz) Először alkohol-dehidrogenázt (ADH) E. Negelein és H. J. Wulff izoláltak 1937-ben Saccharomyces cerevisiaeből. A ló-LADH katalitikus mechanizmusának számos részét vizsgálták Hugo Theorell és társai. Az ADH volt az egyik első oligomerenzim, melynek aminosav-szekvenciáját és háromdimenziós szerkezetét meghatározták.
1960-ban felfedezték a Drosophila nem ecetmuslicáiban.
Tulajdonságok Az alkohol-dehidrogenázok számos izozimből álló csoport, melyek primer alkoholok aldehiddé, szekunder alkoholok ketonná oxidációját és ezek fordítottját is katalizálják. Ez emlősökben -igényes reakció.
Humán hatásmechanizmus
Lépések -kötés alkoholszubsztrát kötése -koordinációval His-51 deprotonálása nikotinamid-ribóz deprotonálása Thr-48 deprotonálása alkohol deprotonálása hidridtranszfer az alkoxidiontól az -ig, NADH-t és cinkhez kötött aldehidet/ketont adva aldehid/keton felszabadítása
Élesztőben és baktériumokban e mechanizmus fordítva történik. Kinetikai tanulmányok igazolták e lépéseket.
Résztvevő alegységek A szubsztrát a cinkhez koordinálódik, és az enzimben alegységenként 2 cink van. Egy az aktív hely, mely a katalízisben vesz részt. Itt a ligandumok a Cys-46, a Cys-174, a His-67 és egy vízmolekula. A másik alegység a szerkezetben érintett. E mechanizmusban az alkohol hidridje az -hoz kerül. Kristályszerkezetek alapján a His-51 deprotonálja a nikotinamid-ribózt, ez a Ser-48-at deprotonálja. Végül a Ser-48 deprotonálja az alkoholt, aldehiddé téve. Mechanikailag nézve, amikor a hidrid az re oldalához kerül, a hidrogén a pro-R helyre kerül. A hidridet re oldalhoz adó enzimek az A osztályú dehidrogenázok. Aktív hely thumb|Az alkohol-dehidrogenáz aktív helye A humán ADH1 aktív helye () egy cinkből és a His-67, Cys-174, Cys-46, Thr-48, His-51, Ile-269, Val-292, Ala-317 és Phe-319 aminosavakból áll. A gyakran tanulmányozott ló-LADH-ban a Thr-48 helyén Ser, a Leu-319-én Phe van. A cink koordinálja a szubsztrátot (alkoholt), és koordinációs kötéssel kapcsolódik a Cys-46, a Cys-174 és a His-67 aminosavakhoz. A Leu-319, az Ala-317, a His-51, az Ile-269 és a Val-292 stabilizálják a -t hidrogénkötéssel. A His-51 és az Ile-269 a nikotinamid-ribózon létesítenek hidrogénkötést az alkohollal, a Phe-319, az Ala-317 és a Val-292 az amidjával.
Szerkezeti cink bélyegkép|jobbra|A szerkezeti cinkkötő motívum az alkohol-dehidrogenázban MD-szimuláción Az emlős-alkohol-dehidrogenázok szerkezeti cinkkel is rendelkeznek. E cink fehérje stabilitásában és szerkezetében fontos. A katalitikus és a szerkezeti cink helyét a ló-LADH-ban (HLADH) – ahogy krisztallográfiai szerkezetekben is szerepel – kvantumkémiai és klasszikus molekuláris dinamikai módszerekkel is vizsgálták. A szerkezeti cinkhely 4 közel lévő ciszteinből (Cys-97, Cys-100, Cys-103 és Cys-111) áll majdnem szimmetrikus tetraéderben a cinkion körül. Egy 2009-es tanulmány szerint a cink–cisztein kölcsönhatást elsősorban elektrosztatikus hatások adják, de szerepe van benne kovalens kölcsönhatásoknak is.
Típusok
Humán A humán ADH több formában létezik dimerként, és legalább 7 gén kódolja. Az 5 alkohol-dehidrogenáz-osztály (I–V) közül az elsősorban használatos, a májban kifejeződő formák az I. osztály részei. Ezek α, β és γ részekből állnak, melyeket az ADH1A, ADH1B és ADH1C kódolnak. Ez nagy mennyiségben van jelen a májban és a gyomorfalban. Az etanol acetaldehiddé (etanal) való oxidációját katalizálja: CH3CH2OH + NAD+ -> CH3CHO + NADH + H+ Ez lehetővé teszi alkoholos italok fogyasztását, de valószínű evolúciós célja az ételekben lévő vagy baktériumok által termelt alkoholok lebontása az emésztőrendszerben.
A retinol (A-vitamin) reverzibilis oxidációjában a később irreverzibilisen a több száz gén expresszióját szabályozó retinsavvá alakuló retinaldehiddé (más néven retinal) is részt vesz.
Az alkohol-dehidrogenáz okozza más alkoholok toxicitását: például a metanol formaldehiddé alakításában, mely hangyasavvá válik.
Az alkohol-dehidrogenáz-aktivitás kortól, nemtől és populációtól függ. Például a fiatal nők nem képesek annyira gyorsan feldolgozni az alkoholt, mint a fiatal férfiak, mert nem fejezik ki akkora mértékben az alkohol-dehidrogenázt. Az aktivitási szint nemcsak az expressziós szinttől függhet, hanem a populáció alléldiverzitásától is
A II., III., IV. és V. osztályú alkohol-dehidrogenázokat kódoló gének az ADH4, az ADH5, az ADH7, illetve az ADH6.
Élesztő és baktériumok Szemben az emberrel, az élesztő és a baktériumok (kivéve a tejsavbaktériumokat és adott esetben az Escherichia colit) a glükózt nem laktáttá, hanem etanollá és -dá fermentálják. A teljes reakció: C6H12O6 + 2 ADP + 2 P_{i} -> 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O
bélyegkép|jobbra|Alkohol-dehidrogenáz Az élesztőben és számos baktériumban az alkohol-dehidrogenáz fontos a fermentációban: a glikolíziskor keletkező piruvát acetaldehiddé és szén-dioxiddá alakul, majd az acetaldehidet az ADH1 redukálja etanollá. Ekkor újra létrejön az , így a glikolízis folytatódhat. Ezt használja ki az ember alkoholos italok előállítására, mikor az élesztő fermentál gyümölcsöket vagy gabonát. Az élesztő termeli és fogyaszthatja saját alkoholját.
A fő alkohol-dehidrogenáz az élesztőben nagyobb az emberinél, 4 alegységből áll. Szintén cink van az aktív helyében. Az állatok cinktartalmú alkohol-dehidrogenázaival együtt ezek alkotják a „hosszú láncú” alkohol-dehidrogenázokat.
Az élesztőben jelen van továbbá az ADH2 alkohol-dehidrogenáz, mely az ADH1 gén duplikátumaként fejlődött ki.ADH1 Ezt az élesztő az etanol acetaldehiddé alakításában használja, és csak alacsony cukorkoncentráció mellett fejeződik ki. E két enzim lehetővé teszi az élesztőnek az alkoholtermelést cukorbőségben (mely a versenytársakat elöli), majd ezeket oxidálja, ha a cukor és a verseny megszűnt.ADH2
Növényekben A növényi ADH az élesztőével és a baktériumokéval azonos reakciót katalizál, lehetővé téve az állandó -mennyiséget. A kukoricában 2 ADH-változat van, az ADH1 és az ADH2, az Arabidopsis thaliana csak 1-gyel rendelkezik. Ez utóbbi 47%-ban hasonlít a lómáj-ADH-hoz. Szerkezetileg és funkcióban fontos részek, például a katalitikus és a nem katalitikus cink ligandumait alkotó 7 aminosav viszont megmaradtak, így feltehetően hasonló az enzimek szerkezete. Az ADH kis mennyiségben kifejeződik agar-agaron nőtt fiatal növények gyökerein. Ha a gyökerek nem kapnak oxigént, az ADH-expresszió jelentősen nő. Szintén nő az expresszió dehidratáció, alacsony hőmérséklet és abszcizinsav jelenlétében, és fontos a termésérésben, a mag- és virágporfejlődésben. Az eltérő fajok ADH-inak eltérése használható eltérő növényfajok kapcsolatainak vizsgálatára. Ideális gén kis mérete (2-3 kb hosszú, mintegy 1000 nukleotidos kódoló szakasszal) és alacsony másolatszáma miatt.
Vastartalmú Egy harmadik, az előző kettőhöz nem kapcsolódó alkohol-dehidrogenáz-család a vastartalmúaké. Ezek baktériumokban, archeákban és gombákban fordul elő. Ezen enzimek a fentiekhez képest oxigénérzékenyebbek. Vastartalmú alkohol-dehidrogenázok például: Saccharomyces cerevisiae alkohol-dehidrogenáz 4 (ADH4 gén) Zymomonas mobilis alkohol-dehidrogenáz 2 (adhB gén) Escherichia coli propándiol-oxidoreduktáz (fucO gén), mely a fukóz anyagcseréjében vesz részt, és vas(II)-ionokat is tartalmazhat. Clostridium acetobutylicum NADPH- és NADH-dependens butanol-dehidrogenáz , adh1, bdhA és bdhB gének), melyek butanolt és etanolt használnak szubsztrátként E. coli adhE, 3 különböző funkciót betöltő vasdependens enzim: alkohol-dehidrogenáz, acetaldehid-dehidrogenáz és piruvát-formiát-liáz-deaktiváz. Bakteriális glicerin-dehidrogenáz (gldA vagy dhaD gén). Clostridium kluyveri NAD-dependens 4-hidroxibutirát-dehidrogenáz (4hbd) Citrobacter freundii és Klebsiella pneumoniae 1,3-propándiol-dehidrogenáz (gene dhaT) Bacillus methanolicus NAD-dependens metanol-dehidrogenáz E. coli és Salmonella typhimurium eutG etanolamin-használó fehérje. E. coli yiaY feltételezett fehérje. További típusok Tobánni alkohol-dehidrogenázok a kinoenzimek, melyek akceptora kinoid kofaktor (például pirrolokinolin-kinon, PQQ). Például a metilotróf baktériumok metanol-dehidrogenáza ilyen enzim.
Alkalmazásai