Алкогольдегидрогеназа

ВВЕДЕНИЕ

 

Алкогольдегидрогеназа – адаптивный фермент класса дегидрогеназ, катализирующий окисление спиртов и ацеталей до органических соединений карбонильной группы – альдегидов и кетонов. Для этого необходим акцептор – в данном случае это никотинамидадениндинуклеотид (НАД) – кофермент, присутствующий во всех дегидрогеназах и являющийся переносчиком некоторых элементарных частиц и элементов.

Алкогольдегидрогеназа – типичный димер, то есть молекула, состоящая их двух простых молекул. Некоторые изомеры имеют в своем составе четыре молекулы – но также парные.

Алкогольдегидрогеназа не является специфическим человеческим ферментом. Она содержится в организме млекопитающих, рыб, насекомых. Бактерии и дрожжи тоже содержат алкогольдегидрогеназу – чаще в виде двойных димеров, обнаружена алкогольдегидрогеназа также в растениях и водорослях.

Функции и роль в организме человека:

Роль алкогольдегидрогеназы в организме человека (и не только) не ограничивается ее специфическими свойствами, отраженными в названии. Установлено (хотя в некоторых случаях и дискутируется) ее включение во многие биохимические процессы. В частности:

• участие в процессах окисления ретинола (витамина А) до ретиналя – предшественника ретиноевой кислоты);

• поддержание оптимального уровня нейромедиаторов;

• включение в процессы катаболизма и окисления некоторых стероидов;

• участие в синтезе, катаболизме и поддержании уровня холестерина, жирных кислот и простагландинов;

• обнаруженная в крови алкогольдегидрогеназа является важным диагностическим признаком. Поскольку в организме человека алкогольдегидрогеназа присутствует в основном в гепатоцитах – клетках печени – то ее появление в сыворотке крови может говорить об их острой или хронической патологии, например, тяжелой интоксикации, гепатите;

• и, наконец, алкогольдегидрогеназа является важным фактором защиты организма от разрушающего действия многих ксенобиотиков, в частности, этанола.

Роль и значение в формировании хронического алкоголизма или устойчивости организма к этанолу

Чтобы после принятия спиртного человек не скончался от отравления продуктами распада этанола, природа предусмотрела особую ферментную систему. Состоит она, упрощенно, из алкогольдегидрогеназы, которая расщепляет этанол до ацетальдегида, и ацетальдегиддегидрогеназы, под действием которой ацетальдегид переходит в уксусную кислоту, которая затем выводится.

Фермент алкогольдегидрогеназа может иметь несколько изомеров, ученые кодируют их цифрами, а для врачей большее значение имеет скорость переработки этанола в альдегид. Поэтому у медиков в ходу названия «быстрая» и «медленная» алкогольдегидрогеназа. «Быстрая» алкогольдегидрогеназа быстрее перерабатывает алкоголь, меньшее его количество выбрасывается в кровь и поступает в мозг, поэтому человек почти не пьянеет и имеет меньшую склонность к хронизации алкоголизма. Естественно, что от быстрой переработки образуется такое же количество ацетальдегида, что и у тех, кому приходится жить с «медленной» алкогольдегидрогеназой.

При этом имеет значение активность ацетальдегиддегидрогеназы – второго компонента «противоалкогольной» ферментной системы. Врачи характеризуют ее как «активную» и «неактивную». Первая быстро, мощно, практически сразу разрушает альдегид. Отсюда возможны варианты комбинации: «быстрая» алкогольдегидрогеназа и неактивная ацетальдегиддегидрогеназа приводит к быстрому развитию похмельного с синдрома: буквально выпил, не успел толком опьянеть, а уже плохо. Или: «медленная» алкогольдегидрогеназа — и алкоголь расщепляется в течение длительного времени и «неактивная» ацетальдегиддегидрогеназа дают тяжелое, продолжительное похмелье со всеми признаками интоксикации.

Обменными процессами этанола (этилового спирта) руководят алкогольдегидрогеназа (АДГ), ацетальдегиддегидрогеназа (АцДГ) и много меньше, другие ферменты. Ферменты (энзимы) управляют химическими реакциями в организме (могут направлять в ту или иную сторону химические реакции, ускорять и замедлять их).

На сегодняшний день уже выделили целый ряд АДГ. Выделяют 6 классов АДГ с различными свойствами и характеристиками.

АДГ рассматривают как защитников организма от внутриобразующихся и поступающих из вне различных отравляющих и вызывающих рак (опухоли) веществ. В тоже время, при определённых обстоятельствах, АДГ могут сами запускать процессы образования (синтеза) повреждающих соединений. Также АДГ участвует в образовании многих других полезных и важных для организма веществ, таких как нейромедиаторы (как бы высокоспециализированные гормоны (активные вещества, регулирующие работу организма) для головного мозга и нервной системы, гормонов и других регуляторных соединений, а также ω гидрооксижирных кислот (это органические жирные кислоты, которые укрепляют стенки клеток в организме (мембраны), стенки сосудов, препятствуя развитию атеросклероза и других веществ.

Весь этот сложный комплекс функций сочетается с данными об эволюции и этнических особенностях распространения АДГ различных классов, позволяющих понять основы неодинакового отношения к этанолу различных популяций людей. И, наконец, иммунохимические исследования открыли новые перспективы лечения алкоголизма появились данные о том, что алкоголизм возможно научатся лечить при помощи прививок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1 АЛКОГОЛЬДЕГИДРОГЕНАЗЫ И КАТАЛИЗИРУЕМЫЕ ИМИ РЕАКЦИИ

 

Состоит из двух (печень лошади) или четырех (дрожжи) одинаковых субъединиц; первичная структура фермента расшифрована полностью. Существует в виде нескольких отличающихся строением молекулярных форм (изоферментов). Каждая субъединица построена из двух доменов, на границе которых находится глубокий "карман", ограниченный гидрофобными аминокислотными остатками. На его "дне" локализован атом Zn, связанный с двумя остатками цистеина и одним остатком гистидина. находящимися соответственно в положениях 46, 174 и 57 субъединицы, а также с Н2О. Последняя вовлечена в систему водородных связей, при участии которых происходят перенос протона при связывании НАД и поляризация субстрата в ходе катализа. Область рН, в которой проявляется оптимальная каталитич. активность, значительно зависит от источника фермента. Последний ингибируется хелатами и солями Ag+, Hg2+ и Cu2+.

АДГ у млекопитающих - это сложная молекула, состоящая из двух простых, которые могут запускать взаимообратимые реакции. Молекулы АДГ будут себя вести по-разному, в зависимости от электрического поля, температуры, кислотно-щелочного баланса. Это различное поведение соотносимо с разностями химического строения молекул АДГ и способностью их выполнять разные функции,по этому принципу АДГ разделили на 6 классов.

Внутри такого класса молекулы по строению отличаются друг от друга на 40-50%. Внутривидовые отличия составляют 30 %. При этом, за образование того или иного АДГ отвечает сразу несколько генов.

Так, АДГ I человека представлена многочисленными изосимами (эти ферменты отличаются друг от друга по строению, но при этом запускают и контролируют схожие реакции). Их парные комбинации трёх основных субъединиц – α, β и γ. Они в свою очередь делятся на варианты α, β1, β2, β3, γ1 и γ2 (которые синтезируются шестью разными участками генов). В результате молекулы АДГ 1 различаются по целому ряду признаков (в зависимости какова их активность и в каких тканях они находятся). АДГ классов II, III и IV состоят из пар идентичных субъединиц — π, χ и σ, соответственно [10, 12, 16, 22].

С одной стороны, все АДГ разных млекопитающих схожи между собой на 50 %. Это показывает их относительную генетическую одинаковость и в тоже время дает возможность создать антигены, которые будут взяты от одного животного и введены другому животному, допустим, для блокирования АДГ - делается как прививка, по такому же принципу.

Разные АДГ различных классов имеет существенные различия по своему действию (табл. 1).

Прежде всего, необходима оценка их способности к окислению этанола (превращение его в ацетальдегид). Отвечают за эту функцию именно АДГ I и АДГ IV. Важно подчеркнуть, что контролируемая АДГ реакция (распада алкоголя и образования в одну сторону, или наоборот - из ацетальдегида образование этанола): 
 
этанол + НАД+ < = > ацетальдегид + НАДН + H+ 
 
Данная реакция характеризуется положением равновесия, то есть при концентрациях этанола, близких к физиологическим (человек не употребляет алкоголя), оно смещено влево. То есть, когда работает наш организм, в нем происходит много разных химических реакций. При многих реакциях образуется ацетальдегид. Он очень вреден для организма, поэтому его нужно быстро обезвредить. Наиболее быстрый способ - это превратить его в алкоголь, который потом будет постепенно разрушаться, частично выводиться через органы выделения и дыхания. Таким образом АДГ I и АДГ IV спасают наш организм от переизбытка ацетальдегида. Если этот механизм ломается, то это приводит к поражению многих структур организма и просто белков.

Однако ситуация принципиально меняется при поступлении этанола извне, то есть - если человек выпил. Даже потребление этанола 
человеком в дозах, не вызывающих значительного опьянения, повышает концентрацию в крови до 0,1–1 мг/мл (Примечание - 1 промилле ~ 0,45 мг/л (450 мкг/л), водителям разрешено иметь концентрацию в крови 0.2 помилле), и равновесие реакции смещается вправо. То есть, под действием АДГ I и IV образуется много ацетальдегида. Это ведет к повреждению ряда других ферментов, различных центров в оболочках клеток. Таким образом ацетальдегид запускает разнообразные патологические процессы. Организм начинает вырабатывать антитела к АДГ, когда иммунная система начинает разрушать АДГ, чтобы снизить количество ацетальдегида. Это происходит, по всей видимости, при длительном потреблении этанола. В экспериментах на крысах такой ответ наблюдался после 4–6 й недели алкоголизации. Таким образом мы можем говорить о том, что иммунная система воспринимает АДГ как чужеродное вещество.

В то же время ацетальдегид способен понижать влечение к этанолу, тормозящий развитие алкоголизма и даже способствующий его лечению (когда на следующий день человек не может смотреть на алкоголь - тошнит от одного запаха).

Как известно, это обстоятельство используется в медицине. Такая двойственность роли АДГ I и IV еще более усиливается тем фактом, что по крайней мере одна из производных АДГ I (γγ) способен запускать реакцию в разные стороны, в результате которой возможно окисление (превращение) ацетальдегида до ацетата и превращение ацетальдегида в этанол. То есть, ацетальдегид перерабатывается в ацетат и в этанол. Важность этого последнего процесса при физиологических (нормальных, исходных) концентрациях этанола и ацетальдегида значительна. При поступлении больших количеств этанола извне большая часть ацетальдегида окисляется ацетальдегиддегидрогеназой (АцДГ).Очень ограниченное участие в окислении этанола принимает АДГ II.

Нужно отметить, что АДГ I и IV участвуют в обезвреживании метилового спирта, но этот процесс крайне медленный. АДГ II и III вовсе не обладают такой активностью.АДГ классов II и III участвуют в обезвреживании других спиртов и формальдегида (крайне токсичен). При этом разные органы и ткани содержат разное количество АДГ. Головной мозг содержит только АДГ III, который не обезвреживает ацетальдегид - мозг остается беззащитным.

Так же стоит сказать, что АДГ участвуют в выработке эндогенных нейрорегуляторов (мозговых регуляторов) и гормонов, а также их производных. Участвуют в обменных процессах образования катехоламинов (природные физиологически активные вещества, так называемые гормоны стресса, регуляторы нервной системы), серотонина (нарушение обмена серотонина - одна из причин развития шизофрении), холестерина, желчи, половых гормонов. АДГ играет ведущую роль по обезвреживанию ксенобиотиков (чужеродные для живых организмов химические вещества, естественно не входящие в биотический круговорот, и, как правило, прямо или косвенно порождённые хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся: пестициды, минеральные удобрения, моющие средства (детергенты), радионуклиды, синтетические красители,полиароматические углеводороды и др). Эти функции АДГ далеко выходят за рамки метаболизма алкоголей.

Как для фундаментальных, так и для медицинских исследований направлены на поиск специфических АДГ, которые можно использовать для изучения у разных живых организмов, в том числе у человека. Найдены ряд веществ, влияющих на активность АДГ. Естественно, наиболее широко они исследованы в отношении окисляющих этанол АДГ I и IV.

В живом организме есть ферменты похожие по функциям на АДГ и принципиально отличаются по структуре (химическому строению). Их называют короткоцепочечные оксидоредуктазы или КЦОР — это ферменты участвующие в дыхании клеток и их энергетическом обмене — сжигании органического топлива для клеток, обезвреживание ряда веществ. образуются в организме при помощи особых генов. Они участвуют в химических превращениях женских и мужских половых гормонов. Реакции контролируемые КЦОР пока малоизучены. Однако, накопленные данные позволяют говорить о ведущей роли именно АДГ в реакциях превращения различных отравляющих и ядовитых веществ включая разнообразные спирты и собственно этанол.