As alcohol deshidroxenases (ADH) () son un grupo de encimas deshidroxenases que están presentes en moitos organismos e facilitan a interconversión entre alcohois e aldehidos ou cetonas coa redución de dinucleótido de nicotinamida e adenina (NAD+) a NADH. Nos humanos e moitos outros animais serven para degradar os alcohois a varios metabolitos que doutro modo serían tóxicos, e tamén participan na xeración de aldehidos ou cetonas útiles, ou grupos alcohol durante as biosínteses de varios metabolitos. En lévedos, plantas e moitas bacterias algunhas alcohol deshidroxenases catalizan a reacción oposta como parte das súas fermentacións para asegurar unha subministración constante de NAD+, polo cal producen alcohol, como ocorre na fermentación alcohólica utilizada para producir bebidas alcohólicas.
Evolución
Evidencias xenéticas de comparación de múltiples organismos mostraron que unha formaldehido deshidroxenase dependente de glutatión, idéntica á alcohol deshidroxenase de clase III (ADH-3/ADH5), podería ser o encima ancestral de toda a familia da ADH. bastante cedo na evolución fíxose importante ter un método para eliminar o formaldehido endóxeno e exóxeno e esta capacidade conservou a ADH-3 ancestral nos xenomas ao longo do tempo. A duplicación xénica da ADH-3, seguida por unha serie de mutacións, conduciu á evolución das outras ADHs.
A capacidade de producir etanol a partir de azucres (que é a base da produción das bebidas alcohólicas) crese que evolucionou primeiramente en lévedos. Aínda que esta característica non é adaptativa desde un punto de vista puramente enerxético, os lévedos, ao produciren alcohol en tan altas concentracións que eran tóxicas para outros organismos, podían eliminar a súa competición. Ademais, como as froitas podres conteñen máis dun 4% de etanol, os animais que comen froitas necesitaban un sistema para metabolizar ese alcohol exóxeno. Isto pénsase que explica a conservación de ADH activas co etanol en especies distintas dos lévedos, aínda que a ADH-3 tamén ten un papel importante na sinalización por óxido nítrico.
Nos humanos, a secuenciación do xene da ADH1B (que codifica unha alcohol deshidroxenase) mostrou que hai varias variantes funcionais. Nunha, hai un polimorfismo dun único nucleótido (SNP) que determina a presenza dun residuo de histidina (His) ou arxinina (Arg) na posición 47 do polipéptido maduro. Na variante con histidina, o encima é moito máis efectivo na conversión antes mencionada. Porén, o encima responsable da conversión do acetaldehido a acetato, non se ve afectado, o que fai que haxa diferentes velocidades de catálise do substrato e causa a acumulación de acetaldehido tóxico, causando danos. Isto proporciona algunha protección contra o consumo excesivo de alcohol e a dependencia do alcohol (alcoholismo). Varios haplotipos orixinados por esta mutación están máis concentrados en rexións do lese da China, unha rexión coñecida polas súas baixas tolerancia e dependencia ao alcohol.
Realizouse un estudo para encontrar unha posible correlación entre a distribución alélica e o alcoholismo, e o resultado indica que esa a distribución alélica orixinouse á vez que o cultivo de arroz na rexión hai entre 12000 e 6000 anos. En rexións onde se cultivaba arroz, o arroz era fermentado orixinando etanol. Isto levou a especular que o aumento da dispoñibilidade de alcohol orixinou o abuso do consumo desa substancia e o alcoholismo, o que tivo como resultado unha menor fitness reprodutora. Nas persoas coa variante do alelo con His diminuían os casos de dependencia e abuso. A hipótese propón que aqueles individuos coa variante do encima con histidina tiñan un éxito reprodutivo diferencial e o alelo correspondente foi transmitido dunha xeración a outra. A evolución darwinista clásica actuaría para seleccionar contra a forma prexudicial do encima (a variante con arxinina) debido á diminución do éxito reprodutivo dos individuos que portan o alelo. O resultado sería unha maior frecuencia do alelo responsable desta variante do encima con His en rexións que estiveran baixo presión selectiva por máis longo tempo. A distribución e fecuencia da variante con histidina segue a expansión do cultivo de arroz en rexións do interior de Asia, e hai maiores frecuencias da variante con histidina en rexións nas que se leva cultivando aroz desde hai máis tempo. A distribución xeográfica dos alelos parece, por tanto, ser o resultado da selección natural contra os individuos con menor éxito reprodutivo, concretamente aqueles que portaban o alelo da variante con arxinina e eran máis susceptibles ao alcoholismo. Porén, a persistencia da variante con arxinina noutras poboacións indica que o efecto podería non ser moi forte.
Descubrimento miniatura|LADH de cabalo (alcohol deshidroxenase hepática)
A primeira alcohol deshidroxenase (ADH) que se illou purificouse en 1937 a partir de Saccharomyces cerevisiae (o lévedo de panadería). Moitos aspectos do mecanismo catalítico do encima ADH hepático de cabalo foron investigados por Hugo Theorell e colegas. A ADH foi tamén un dos primeiros encimas oligoméricos dos que se obtivo a súa secuencia de aminoácidos e se determinou a súa estrutura tridimensional.
A inicios da década de 1960, descubriuse tamén nas moscas Drosophila.
Propiedades
As alcohol deshidroxenases comprenden un grupo de varios isocimas que catalizan a oxidación de alcohois primarios ou secundarios a aldehidos e cetonas, respectivamente, e tamén poden catalizar a reacción inversa. En mamíferos esta é unha reacción redox (redución/oxidación) na que intervén o coencima dinucleótido de nicotinamida e adenina (NAD+).
Oxidación do alcohol
Mecanismo de acción en humanos
Pasos Unión do coencima NAD+. Unión do substrato alcohol por coordinación co zinc do encima. Desprotonación da His-51. Desprotonación da nicotinamida ribosa. Desprotonación da Thr-48. Desprotonación do alcohol. Transferencia do híbrido desde o ión alcóxido ao NAD+, orixinando NADH e un aldehido (ou cetona) unidos ao zinc. Liberación do produto aldehido.
O mecanismo en lévedos e bacterias é o inverso desta reacción. Estes pasos están apoiados por estudos cinéticos.
Subunidades implicadas
O substrato está coordinado ao zinc e este encima ten dous átomos de zinc por subunidade. Un átomo de Zn está no sitio activo, implicado na catálise. No sitio activo, os ligandos para o Zn son Cys-46, Cys-174, His-67 e unha molécula de auga. A outra subunidade está implicada na estrutura do encima e ten outro Zn. Neste mecanismo, o híbrido do alcohol vai ao NAD+. As estruturas cristalinas indican que a His-51 desprotona a nicotinamida ribosa, a cal desprotona a Ser-48. Finalmente, a Ser-48 desprotona o alcohol, orixinando un aldehido. Desde unha perspectiva do mecanismo, se o encima engade o híbrido á cara Re (ver regras de prioridade de Cahn-Ingold-Prelog) do NAD+, o hidróxeno resultante incorpórase a posicións pro-R. Os encimas que engaden un híbrido á cara Re son denominados deshidroxenases de clase A.
Sitio activo miniatura|O sitio activo da alcohol deshidroxenase.
O sitio activo da ADH1 humana () consta dun átomo de zinc, a His-67, Cys-174, Cys-46, Thr-48, His-51, Ile-269, Val-292, Ala-317 e Phe-319. Na isoforma comunmente estudada do fígado de cabalo, a Thr-48 é unha Ser, e a Leu-319 é unha Phe. O zinc coordina o substrato (alcohol). O zinc está coordinado pola Cys-46, Cys-174 e His-67. Por outra parte, a Leu-319, Ala-317, His-51, Ile-269 e Val-292 estabilizan o NAD+ ao formaren enlaces de hidróxeno. A His-51 e a Ile-269 forman enlaces de hidróxeno cos alcohois na nicotinamida ribosa. A Phe-319, Ala-317 e Val-292 forman enlaces de hidróxeno coa amida no NAD+.
Sitio estrutural do zinc
miniatura|O motivo estrutural de unión ao zinc nunha alcohol deshidroxenase dunha simulación de dinámica molecular (MD). As alcohol deshidroxenases de mamíferos tamén teñen un sitio estrutural do zinc. Este ión Zn xoga un papel estrutural e é crucial para a estabilidade da proteína. As estruturas dos sitios do zinc estrutural e catalítico na alcohol deshidroxenáse hepática de cabalo (HLADH) reveladas polas estruturas cristalográficas foron estudadas computacionalmente con química cuántica e tamén con métodos de dinámica molecular clásicos. O sitio do Zn estrutural está composto por catro ligandos cisteína moi xuntos (Cys97, Cys100, Cys103 e Cys111 na secuencia de aminoácidos) situados formando un tetraedro case simétrico arredor do ión Zn. Un estudo recente mostrou que a interacción entre o zinc e a cisteína está gobernada principalmente por unha contribución electrostática cunha contribución covalente adicional ao enlace.
Tipos Humanos Nos humanos a ADH existe en moitas formas como dímero e está codificada por polo menos sete xenes diferentes (e orixínase polo menos seis encimas ao combinar os polipéptidos e formar heterodímeros). Hai cinco clases de alcohol deshidroxenase (I-V), pero as formas hepáticas que son as usadas principalmente en humanos son da clase I. A clase I consta das subunidades α, β e γ, que están codificadas nos xenes ADH1A, ADH1B e ADH1C. O encima está presente en altos niveis no fígado e no recubrimento interno do estómago. Cataliza a oxidación do etanol a acetaldehido (etanal):
CH3CH2OH + NAD+ → CH3CHO + NADH + H+
Isto permite o consumo de bebidas alcohólicas, pero a súa función evolutiva é probablemente a degradación dos alcohois contidos de forma natural en alimentos ou producidos por bacterias no tracto dixestivo.
Outro propósito evolutivo pode ser o metabolismo do alcohol endóxeno da vitamina A (retinol), que xera a hormona ácido retinoico, aínda que esa función aquí pode ser principalmente a eliminación dos niveis tóxicos de retinol.
A alcohol deshidroxenase está tamén implicada na toxicidade doutros tipos de alcohol: Por exemplo, oxida o metanol para producir formaldehido e etilén glicol para render finalmente os ácidos glicólico e oxálico. Os humanos teñen polo menos seis alcohol deshidroxenases lixeiramente diferentes. Todas elas son dímeros (é dicir, constan de dous polipéptidos), e cada dímero ten dous ións zinc, Zn2+. Un destes ións é esencial para o funcionamento do encima: está localizado no sitio catalítico e sostén o grupo hidroxilo do alcohol no seu debido lugar.
A actividade da alcohol deshidroxenase varía entre homes e mulleres, entre mozos e vellos e entre poboacións de diferentes áreas do mundo. Por exemplo, as mulleres xoves non poden procesar o alcohol coa mesma rapidez que os homes xoves porque non expresan a alcohol deshidroxenase a un nivel tan alto, aínda que na mediana idade ocorre totalmente o contrario. O nivel de actividade pode non depender só do nivel de expresión senón tamén da diversidade de alelos entre a poboación.
Os xenes humanos que codifican as alcohol deshidroxenases das clases II, III, IV e V son ADH4, ADH5, ADH7 e ADH6, respectivaqmente.
Lévedos e bacterias
A diferenza dos humanos, os lévedos e bacterias (excepto as bacterias do ácido láctico e E. coli en certas condicións) non fermentan a glicosa a lactato. No seu lugar, fermentan a glicosa a etanol e (fermentación alcohólica). Velaquí a reacción gloobal:
Glicosa + 2 ADP + 2 Pi → 2 etanol + 2 CO2 + 2 ATP + 2 H2O
miniatura|esquerda|Alcohol deshidroxenase En lévedos e moitas bacterias, a alcohol deshidroxenase desempeña unha importante función na fermentación: o piruvato resultante da glicólise convértese en acetaldehido e dióxido de carbono, e o acetaldehido é despois reducido a etanol (alcohol etílico) por unha alcohol deshidroxenase chamada ADH1. O propósito deste último paso é a rexeneración do NAD+, para que a ruta da glicólise xeradora de enerxía poida continuar. Os humanos aproveitan este proceso para producir bebidas alcohólicas, deixando que os lévedos fermenten diversos froitos ou grans. Os lévedos poden producir e despois consumir o seu propio alcohol (véxase máis abaixo).