Алкогольдегидрогеназа: ферментный механизм окисления этанола¶

Алкогольдегидрогеназа (АДГ, англ. alcohol dehydrogenase, ADH) — семейство оксидоредуктаз, катализирующих обратимое окисление первичных и вторичных спиртов до соответствующих альдегидов и кетонов с восстановлением никотинамидного кофермента NAD⁺ (или NADP⁺). В организме человека основная физиологическая роль АДГ — метаболизм этанола до ацетальдегида в цитозоле клеток печени, а также участие в обмене ретинола (витамина A), нейромедиаторов (дофамин, норадреналин) и других эндогенных субстратов.

¶Структура и классификация

Алкогольдегидрогеназы относятся к классу оксидоредуктаз (КФ 1.1.1.1). У человека функционируют несколько изоформ, закодированных генами семейства ADH, объединённых в семь классов (ADH1–ADH7):

• Класс I (ADH1A, ADH1B, ADH1C) — основные «печеночные» изоферменты, гомодимеры с молекулярной массой около 80 кДа. Наибольшую активность проявляют в отношении этанола.
• Класс II (ADH4) — преимущественно желудочная изоформа, участвует в окислении этанола и ретинола.
• Класс III (ADH5) — глутатион-зависимая формальдегиддегидрогеназа, практически не метаболизирует этанол.
• Класс IV (ADH7) — «желудочная» σ-АДГ, активна в отношении длинноцепочечных спиртов.
• Класс V–VII — менее изученные изоформы с тканевой специфичностью.

Каждая субъединица АДГ содержит два атома цинка: один структурный, второй — каталитический, координированный остатками цистеина и гистидина. Активный сайт включает также остатки серина, фенилаланина и никотинамидного кофермента, который связывается в глубокой гидрофобной полости.

¶Механизм действия

Реакция катализируется по механизму бинеарного переноса гидрида: сначала субстрат связывается в активном центре, затем гидрид-ион переносится с атома углерода спирта на никотинамидное кольцо NAD⁺ с образованием NADH и соответствующего альдегида. Обратная реакция — восстановление альдегида — также катализируется той же АДГ, но в клетке печени сдвиг равновесия обеспечивается быстрым окислением NADH в митохондриях через дыхательную цепь.

Кинетические параметры АДГ в отношении этанола характеризуются Km около 0,05–1 мМ, что обеспечивает насыщение фермента уже при низких концентрациях алкоголя. Максимальная скорость метаболизма этанола у взрослого человека ограничена количеством кофермента NAD⁺ и составляет примерно 7–10 г/ч (около 0,1–0,15 г/кг массы тела в час).

¶Метаболизм этанола в организме

В печени этанол окисляется преимущественно в цитозоле по схеме:

Этанол → (АДГ, NAD⁺) → Ацетальдегид → (Альдегиддегидрогеназа ALDH2, NAD⁺) → Уксусная кислота → CO₂ + H₂O

Ацетальдегид, образующийся при первой реакции, токсичен и является основным фактором, определяющим токсические эффекты алкоголя. Его дальнейшее окисление катализирует митохондриальная альдегиддегидрогеназа ALDH2. Нарушение работы ALDH2 (генетический полиморфизм ALDH2*2, распространённый в популяциях Восточной Азии) приводит к накоплению ацетальдегида и характерной «прилива» — покраснению кожи, тахикардии, тошноте.

Альтеративный путь окисления этанола — микросомальная этанолокисляющая система (МЭОС) на основе цитохрома P450 2E1 (CYP2E1), индуцируемого при хроническом употреблении алкоголя, а также каталазная система пероксисом. Однако основная доля (около 80–90 %) метаболизма приходится на АДГ.

¶Генетические полиморфизмы

Гены ADH1B и ADH1C полиморфны. Аллель ADH1B2 (встречается с высокой частотой у представителей восточноазиатских популяций, у русских — редко) кодирует вариант фермента с повышенной каталитической активностью, что ускоряет образование ацетальдегида и ассоциируется с защитным эффектом в отношении злоупотребления алкоголем. Аллель ADH1C1 также связан с большей активностью АДГ по сравнению с ADH1C*2.

¶Роль в обмене ретинола

Помимо этанола, АДГ класса I и IV катализируют окисление ретинола (витамина A) до ретиналя — первого шага биосинтеза ретиноевой кислоты, важного регулятора дифференцировки клеток. Конкуренция за АДГ между этанолом и ретинолом при хроническом алкоголизме рассматривается как один из механизмов нарушения обмена витамина A.

¶Применение в биотехнологии и медицине

Рекомбинантные алкогольдегидрогеназы используются в биосенсорах для определения концентрации этанола, в биокатализе для синтеза хиральных спиртов и альдегидов, а также в судебно-медицинской экспертизе. Изоформы АДГ служат маркерами при изучении индивидуальных различий в переносимости алкоголя.

¶История

Алкогольдегидрогеназа была впервые выделена из дрожжей (Saccharomyces cerevisiae) в 1937 году Виктором Гутманом. Структура печеночной АДГ человека разрешён рентгеноструктурным анализом в 1970-е годы группой Х. Эклунда. Вклад в изучение АДГ внесли советские и российские биохимики, в частности исследования по кинетике фермента и его роли в обмене этанола.

¶Источники

• Лахин В. Г., Николаев А. Я. Биохимия: учебник для вузов.
• Тейлор А., Плейтс Э. Биохимия Ленинджера.
• Дунаевский Я. А. и др. Биохимия: учебное пособие.
• Сборник обзоров Alcohol and Alcoholism (Oxford University Press).
• Биохимический журнал (ВНИИ биохимии).