Álcool desidrogenase - Alcohol dehydrogenase

Álcool desidrogenase
Protein ADH5 PDB 1m6h.png
Estrutura cristalográfica do
homodímero de ADH5 humano .
Identificadores
EC nº 1.1.1.1
CAS no. 9031-72-5
Bancos de dados
IntEnz Vista IntEnz
BRENDA Entrada BRENDA
ExPASy NiceZyme view
KEGG Entrada KEGG
MetaCyc via metabólica
PRIAM perfil
Estruturas PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Ontologia Genética AmiGO / QuickGO

As álcool desidrogenases ( ADH ) ( EC 1.1.1.1 ) são um grupo de enzimas desidrogenases que ocorrem em muitos organismos e facilitam a interconversão entre álcoois e aldeídos ou cetonas com a redução do dinucleotídeo adenina nicotinamida (NAD + ) em NADH. Em humanos e em muitos outros animais , eles servem para decompor álcoois que de outra forma seriam tóxicos e também participam da geração de grupos úteis de aldeído, cetona ou álcool durante a biossíntese de vários metabólitos . Em leveduras , plantas e muitas bactérias , algumas desidrogenases de álcool catalisam a reação oposta como parte da fermentação para garantir um suprimento constante de NAD + .

Evolução

Evidências genéticas de comparações de múltiplos organismos mostraram que uma formaldeído desidrogenase dependente de glutationa , idêntica a uma álcool desidrogenase classe III (ADH-3 / ADH5), é considerada a enzima ancestral de toda a família ADH. No início da evolução, um método eficaz para eliminar o formaldeído endógeno e exógeno era importante e essa capacidade conservou o ADH-3 ancestral ao longo do tempo. A duplicação do gene do ADH-3, seguida por uma série de mutações, levou à evolução de outros ADHs.

Acredita-se que a capacidade de produzir etanol a partir do açúcar (que é a base de como as bebidas alcoólicas são feitas) tenha evoluído inicialmente na levedura . Embora esse recurso não seja adaptativo do ponto de vista energético, ao produzir álcool em concentrações tão altas que seriam tóxicos para outros organismos, as células de levedura poderiam eliminar efetivamente sua competição. Uma vez que frutas podres podem conter mais de 4% de etanol, os animais que comem as frutas precisam de um sistema para metabolizar o etanol exógeno. Isso foi pensado para explicar a conservação do ADH ativo de etanol em outras espécies além da levedura, embora o ADH-3 seja agora conhecido por também ter um papel importante na sinalização do óxido nítrico .

Em humanos, o sequenciamento do gene ADH1B (responsável pela produção de um polipeptídeo álcool desidrogenase ) mostra várias variantes funcionais. Em um, há um SNP (polimorfismo de nucleotídeo único) que leva a um resíduo de histidina ou arginina na posição 47 no polipeptídeo maduro. Na variante Histidina, a enzima é muito mais eficaz na conversão mencionada. A enzima responsável pela conversão do acetaldeído em acetato, entretanto, permanece inalterada, o que leva a taxas diferenciais de catálise do substrato e causa um acúmulo de acetaldeído tóxico, causando danos às células. Isso fornece alguma proteção contra o consumo excessivo de álcool e a dependência do álcool (alcoolismo). Vários haplótipos decorrentes dessa mutação estão mais concentrados em regiões próximas ao leste da China, região também conhecida por sua baixa tolerância e dependência ao álcool.

Um estudo foi realizado com o objetivo de encontrar uma correlação entre distribuição alélica e alcoolismo, e os resultados sugerem que a distribuição alélica surgiu junto com o cultivo de arroz na região entre 12.000 e 6.000 anos atrás. Em regiões onde o arroz era cultivado, o arroz também era fermentado em etanol. Isso levou a especulações de que o aumento da disponibilidade de álcool levou ao alcoolismo e ao abuso, resultando em menor aptidão reprodutiva. Aqueles com o alelo variante têm pouca tolerância ao álcool, reduzindo assim a chance de dependência e abuso. A hipótese postula que aqueles indivíduos com a enzima variante Histidina eram sensíveis o suficiente aos efeitos do álcool que o sucesso reprodutivo diferencial surgiu e os alelos correspondentes foram passados ​​através das gerações. A evolução darwiniana clássica atuaria para selecionar contra a forma prejudicial da enzima (variante Arg) por causa do baixo sucesso reprodutivo dos indivíduos portadores do alelo. O resultado seria uma frequência maior do alelo responsável pela enzima variante His em regiões que estiveram sob pressão seletiva por mais tempo. A distribuição e frequência da variante His segue a disseminação do cultivo de arroz nas regiões do interior da Ásia, com frequências mais altas da variante His em regiões que cultivam arroz por mais tempo. A distribuição geográfica dos alelos parece, portanto, ser resultado da seleção natural contra indivíduos com menor sucesso reprodutivo, ou seja, aqueles que carregavam o alelo variante Arg e eram mais suscetíveis ao alcoolismo. No entanto, a persistência da variante Arg em outras populações argumenta que o efeito não poderia ser forte.

Descoberta

Cavalo LADH (álcool desidrogenase do fígado)

A primeira desidrogenase de álcool isolada (ADH) foi purificada em 1937 a partir de Saccharomyces cerevisiae (levedura de cerveja). Muitos aspectos do mecanismo catalítico da enzima ADH do fígado de cavalo foram investigados por Hugo Theorell e colaboradores. O ADH também foi uma das primeiras enzimas oligoméricas a ter sua sequência de aminoácidos e estrutura tridimensional determinadas.

No início de 1960, foi descoberto em moscas-das-frutas do gênero Drosophila .

Propriedades

As álcool desidrogenases compreendem um grupo de várias isoenzimas que catalisam a oxidação de álcoois primários e secundários a aldeídos e cetonas, respectivamente, e também podem catalisar a reação reversa. Em mamíferos, esta é uma reação redox (redução / oxidação) envolvendo a coenzima nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD + ).

Oxidação de álcool

Mecanismo de ação em humanos

Passos

  1. Ligação da coenzima NAD +
  2. Ligação do substrato de álcool por coordenação ao íon zinco (II)
  3. Desprotonação de His-51
  4. Desprotonação de nicotinamida ribose
  5. Desprotonação de Thr-48
  6. Desprotonação do álcool
  7. Transferência de hidreto do íon alcóxido para NAD + , levando a NADH e um aldeído ou cetona ligado ao zinco
  8. Liberação do produto aldeído.

O mecanismo em leveduras e bactérias é o reverso dessa reação. Essas etapas são apoiadas por estudos cinéticos.

Subunidades envolvidas

O substrato é coordenado com o zinco e esta enzima possui dois átomos de zinco por subunidade. Um é o sítio ativo, que está envolvido na catálise. No sítio ativo, os ligantes são Cys-46, Cys-174, His-67 e uma molécula de água. A outra subunidade está envolvida com a estrutura. Nesse mecanismo, o hidreto do álcool vai para o NAD + . Estruturas de cristal indicam que o His-51 desprotona a nicotinamida ribose, que desprotona a Ser-48. Finalmente, Ser-48 desprotona o álcool, tornando-o um aldeído. De uma perspectiva mecanicista, se a enzima adiciona hidreto à reação de NAD + , o hidrogênio resultante é incorporado na posição pró-R. As enzimas que adicionam hidreto à face são consideradas desidrogenases de Classe A.

Site ativo

O sítio ativo da álcool desidrogenase

O sítio ativo de ADH1 humano (PDB: 1HSO) consiste em um átomo de zinco, His-67, Cys-174, Cys-46, Thr-48, His-51, Ile-269, Val-292, Ala-317, e Phe-319. Na isoforma de fígado de cavalo comumente estudada, Thr-48 é um Ser e Leu-319 é ​​um Phe. O zinco coordena o substrato (álcool). O zinco é coordenado por Cys-46, Cys-174 e His-67. Leu-319, Ala-317, His-51, Ile-269 e Val-292 estabilizam o NAD + formando ligações de hidrogênio . His-51 e Ile-269 formam ligações de hidrogênio com os álcoois da ribose de nicotinamida. Phe-319, Ala-317 e Val-292 formam ligações de hidrogênio com a amida em NAD + .

Site de zinco estrutural

O motivo estrutural de ligação de zinco na álcool desidrogenase a partir de uma simulação de MD

As álcool desidrogenases de mamíferos também possuem um sítio de zinco estrutural. Este íon Zn desempenha um papel estrutural e é crucial para a estabilidade da proteína. As estruturas dos sítios de zinco catalítico e estrutural na álcool desidrogenase de fígado de cavalo (HLADH) reveladas em estruturas cristalográficas, que foram estudadas computacionalmente com química quântica, bem como com métodos clássicos de dinâmica molecular. O sítio de zinco estrutural é composto por quatro ligantes de cisteína estreitamente espaçados (Cys97, Cys100, Cys103 e Cys111 na sequência de aminoácidos) posicionados em um tetraedro quase simétrico em torno do íon Zn. Um estudo recente mostrou que a interação entre o zinco e a cisteína é governada principalmente por uma contribuição eletrostática com uma contribuição covalente adicional para a ligação.

Tipos

Humano

Em humanos, o ADH existe em várias formas como um dímero e é codificado por pelo menos sete genes diferentes. Existem cinco classes (IV) de álcool desidrogenase, mas as formas hepáticas usadas principalmente em humanos são a classe 1. A classe 1 consiste nas subunidades α, β e γ que são codificadas pelos genes ADH1A , ADH1B e ADH1C . A enzima está presente em níveis elevados no fígado e no revestimento do estômago . Catalisa a oxidação do etanol em acetaldeído (etanal):

CH 3 CH 2 OH + NAD + → CH 3 CHO + NADH + H +

Isso permite o consumo de bebidas alcoólicas , mas seu propósito evolutivo é provavelmente a quebra dos álcoois naturalmente contidos nos alimentos ou produzidos por bactérias no trato digestivo .

Outro propósito evolutivo pode ser o metabolismo do álcool endógeno vitamina A ( retinol ), que gera o hormônio ácido retinóico , embora a função aqui possa ser principalmente a eliminação de níveis tóxicos de retinol.

álcool desidrogenase 1A,
polipeptídeo α
Identificadores
Símbolo ADH1A
Alt. símbolos ADH1
Gene NCBI 124
HGNC 249
OMIM 103700
RefSeq NM_000667
UniProt P07327
Outros dados
Número CE 1.1.1.1
Locus Chr. 4 q23
álcool desidrogenase 1B,
polipeptídeo β
Identificadores
Símbolo ADH1B
Alt. símbolos ADH2
Gene NCBI 125
HGNC 250
OMIM 103720
RefSeq NM_000668
UniProt P00325
Outros dados
Número CE 1.1.1.1
Locus Chr. 4 q23
álcool desidrogenase 1C,
polipeptídeo γ
Identificadores
Símbolo ADH1C
Alt. símbolos ADH3
Gene NCBI 126
HGNC 251
OMIM 103730
RefSeq NM_000669
UniProt P00326
Outros dados
Número CE 1.1.1.1
Locus Chr. 4 q23

A álcool desidrogenase também está envolvida na toxicidade de outros tipos de álcool: por exemplo, oxida o metanol para produzir formaldeído e, por fim, ácido fórmico . Os humanos têm pelo menos seis álcool desidrogenases ligeiramente diferentes. Cada um é um dímero (ou seja, consiste em dois polipeptídeos ), com cada dímero contendo dois íons de zinco Zn 2+ . Um desses íons é crucial para o funcionamento da enzima: ele está localizado no sítio catalítico e mantém o grupo hidroxila do álcool no lugar.

A atividade da álcool desidrogenase varia entre homens e mulheres, entre jovens e idosos e entre populações de diferentes áreas do mundo. Por exemplo, as mulheres jovens são incapazes de processar o álcool na mesma velocidade que os homens porque não expressam a álcool desidrogenase tão fortemente, embora o inverso seja verdadeiro entre os de meia-idade. O nível de atividade pode não depender apenas do nível de expressão, mas também da diversidade alélica da população.

Os genes humanos que codificam as álcool desidrogenases de classes II, III, IV e V são ADH4 , ADH5 , ADH7 e ADH6 , respectivamente.

álcool desidrogenase 4
(classe II), polipeptídeo π
Identificadores
Símbolo ADH4
Gene NCBI 127
HGNC 252
OMIM 103740
RefSeq NM_000670
UniProt P08319
Outros dados
Número CE 1.1.1.1
Locus Chr. 4 q22
álcool desidrogenase 5
(classe III), polipeptídeo χ
Identificadores
Símbolo ADH5
Gene NCBI 128
HGNC 253
OMIM 103710
RefSeq NM_000671
UniProt P11766
Outros dados
Número CE 1.1.1.1
Locus Chr. 4 q23
álcool desidrogenase 6
(classe V)
Identificadores
Símbolo ADH6
Gene NCBI 130
HGNC 255
OMIM 103735
RefSeq NM_000672
UniProt P28332
Outros dados
Número CE 1.1.1.1
Locus Chr. 4 q23
álcool desidrogenase 7
(classe IV), polipeptídeo μ ou σ
Identificadores
Símbolo ADH7
Gene NCBI 131
HGNC 256
OMIM 600086
RefSeq NM_000673
UniProt P40394
Outros dados
Número CE 1.1.1.1
Locus Chr. 4 q23-q24

Fermento e bactéria

Ao contrário dos humanos, leveduras e bactérias (exceto bactérias de ácido láctico e E. coli em certas condições) não fermentam a glicose em lactato. Em vez disso, eles fermentam em etanol e CO
2
. A reação geral pode ser vista abaixo:

Glicose + 2 ADP + 2 Pi → 2 etanol + 2 CO 2 + 2 ATP + 2 H 2 O
Álcool desidrogenase

Na levedura e em muitas bactérias , a álcool desidrogenase desempenha um papel importante na fermentação: o piruvato resultante da glicólise é convertido em acetaldeído e dióxido de carbono , e o acetaldeído é então reduzido a etanol por uma álcool desidrogenase chamada ADH1. O objetivo desta última etapa é a regeneração do NAD + , para que a glicólise geradora de energia possa continuar. Os humanos exploram esse processo para produzir bebidas alcoólicas, deixando o fermento fermentar várias frutas ou grãos. O fermento pode produzir e consumir seu próprio álcool.

A principal álcool desidrogenase na levedura é maior do que a humana, consistindo em quatro, em vez de apenas duas subunidades. Ele também contém zinco em seu sítio catalítico. Juntamente com as álcool desidrogenases contendo zinco de animais e humanos, essas enzimas de leveduras e muitas bactérias formam a família das desidrogenases de álcool de "cadeia longa".

A levedura de cerveja também possui outra álcool desidrogenase, ADH2 , que evoluiu de uma versão duplicada do cromossomo contendo o gene ADH1 . O ADH2 é usado pela levedura para converter o etanol de volta em acetaldeído e é expresso apenas quando a concentração de açúcar é baixa. Ter essas duas enzimas permite que o fermento produza álcool quando o açúcar é abundante (e esse álcool então mata os micróbios concorrentes), e então continua com a oxidação do álcool quando o açúcar e a competição acabam.

Plantas

Nas plantas, o ADH catalisa a mesma reação que nas leveduras e bactérias para garantir que haja um suprimento constante de NAD + . O milho tem duas versões de ADH - ADH1 e ADH2, Arabidopsis thaliana contém apenas um gene de ADH. A estrutura do Arabidopsis ADH é 47% conservada, em relação ao ADH do fígado de cavalo. Resíduos estrutural e funcionalmente importantes, como os sete resíduos que fornecem ligantes para os átomos catalíticos e não catalíticos de zinco, entretanto, são conservados, sugerindo que as enzimas têm uma estrutura semelhante. O ADH é expresso constitutivamente em níveis baixos nas raízes de plantas jovens cultivadas em ágar. Se as raízes carecem de oxigênio, a expressão de ADH aumenta significativamente. Sua expressão também é aumentada em resposta à desidratação, às baixas temperaturas e ao ácido abscísico , e desempenha um papel importante no amadurecimento dos frutos, desenvolvimento de mudas e desenvolvimento de pólen. Diferenças nas sequências de ADH em diferentes espécies têm sido usadas para criar filogenias, mostrando como as diferentes espécies de plantas estão intimamente relacionadas. É um gene ideal para uso devido ao seu tamanho conveniente (2–3 kb de comprimento com uma sequência de codificação de ≈1000 nucleotídeos) e baixo número de cópias.

Contendo ferro

Álcool desidrogenase contendo ferro
PDB 1jqa EBI.jpg
bacillus stearothermophilus glicerol desidrogenase complexo com glicerol
Identificadores
Símbolo Fe-ADH
Pfam PF00465
Clã Pfam CL0224
InterPro IPR001670
PRÓSITO PDOC00059
SCOP2 1jqa / SCOPe / SUPFAM

Uma terceira família de álcool desidrogenases, sem relação com as duas anteriores, são aquelas que contêm ferro . Eles ocorrem em bactérias e fungos. Em comparação com as enzimas das famílias acima, essas enzimas são sensíveis ao oxigênio. Os membros da família da álcool desidrogenase contendo ferro incluem:

Outros tipos

Uma outra classe de álcool desidrogenases pertence às quinoenzimas e requer cofatores quinóides (por exemplo, pirroloquinolina quinona, PQQ) como aceitadores de elétrons ligados à enzima. Um exemplo típico para este tipo de enzima é a metanol desidrogenase de bactérias metilotróficas.

Formulários

Na biotransformação, as álcool desidrogenases são frequentemente utilizadas para a síntese de estereoisômeros enantiomericamente puros de álcoois quirais. Freqüentemente, uma alta quimio e enantiosseletividade pode ser alcançada. Um exemplo é a álcool desidrogenase de Lactobacillus brevis ( Lb ADH), que é descrita como um biocatalisador versátil. A alta quimiospecificidade foi confirmada também no caso de substratos apresentando dois locais redox potenciais. Por exemplo, o cinamaldeído apresenta dupla ligação alifática e função aldeído. Ao contrário dos catalisadores convencionais, as álcool desidrogenases são capazes de agir seletivamente apenas sobre o último, produzindo exclusivamente álcool cinamílico .

Nas células a combustível, as álcool desidrogenases podem ser usadas para catalisar a degradação do combustível para uma célula a combustível de etanol . Cientistas da Saint Louis University usaram álcool desidrogenase suportado por carbono com poli ( verde de metileno ) como ânodo, com membrana de nafion , para atingir cerca de 50 μ A / cm 2 .

Em 1949, E. Racker definiu uma unidade de atividade da álcool desidrogenase como a quantidade que causa uma mudança na densidade óptica de 0,001 por minuto sob as condições padrão de ensaio . Recentemente, a definição internacional de unidade enzimática (UE) tem sido mais comum: uma unidade de Álcool Desidrogenase converterá 1,0 μmole de etanol em acetaldeído por minuto em pH 8,8 a 25 ° C.

Significado clínico

Alcoolismo

Existem estudos que mostram que as variações no ADH que influenciam o metabolismo do etanol têm um impacto no risco de dependência do álcool. O efeito mais forte é devido às variações no ADH1B que aumentam a taxa na qual o álcool é convertido em acetaldeído. Uma dessas variantes é mais comum em indivíduos da Ásia Oriental e do Oriente Médio, outra é mais comum em indivíduos da África. Ambas as variantes reduzem o risco de alcoolismo, mas os indivíduos podem se tornar alcoólatras, apesar disso. Os pesquisadores detectaram provisoriamente alguns outros genes associados ao alcoolismo e sabem que deve haver muitos mais a serem descobertos. As pesquisas continuam a fim de identificar os genes e sua influência no alcoolismo.

Dependência de drogas

A dependência de drogas é outro problema associado ao ADH, que os pesquisadores acham que pode estar relacionado ao alcoolismo. Um estudo em particular sugere que a dependência de drogas tem sete genes de ADH associados a ela, no entanto, mais pesquisas são necessárias. A dependência de álcool e outras dependências de drogas podem compartilhar alguns fatores de risco, mas como a dependência de álcool costuma ser comórbida com outras dependências de drogas, a associação de ADH com outras dependências de drogas pode não ser causal.

Envenenamento

O fomepizol , um medicamento que inibe competitivamente a álcool desidrogenase, pode ser usado no contexto da toxicidade aguda do metanol ou do etilenoglicol . Isso evita a conversão do metanol ou etilenoglicol em seus metabólitos tóxicos (como ácido fórmico , formaldeído ou glicolato ). O mesmo efeito também é algumas vezes alcançado com o etanol , novamente pela inibição competitiva do ADH.

Metabolismo de drogas

A hidroxizina é decomposta em seu metabólito ativo cetirizina pela álcool desidrogenase. Outras drogas com grupos de álcool podem ser metabolizadas de maneira semelhante, desde que o impedimento estérico não impeça o álcool de atingir o sítio ativo.

Veja também

Referências

Este artigo incorpora texto do domínio público Pfam e InterPro : IPR001670

links externos

  • PDBsum tem links para estruturas tridimensionais de várias álcool desidrogenases contidas no Protein Data Bank
  • O ExPASy contém links para as sequências de álcool desidrogenase em Swiss-Prot , para uma pesquisa de literatura do Medline sobre a enzima e para entradas em outros bancos de dados.
  • O PDBe-KB fornece uma visão geral de todas as informações de estrutura disponíveis no PDB para Álcool desidrogenase 1A.
  • O PDBe-KB fornece uma visão geral de todas as informações de estrutura disponíveis no PDB para Álcool desidrogenase 1B.
  • O PDBe-KB fornece uma visão geral de todas as informações estruturais disponíveis no PDB para Álcool desidrogenase 1C.
  • O PDBe-KB fornece uma visão geral de todas as informações estruturais disponíveis no PDB para Álcool desidrogenase 4.
  • PDBe-KB fornece uma visão geral de todas as informações de estrutura disponíveis no PDB para álcool desidrogenase classe-3.