乙醇脱氢酶（一种含锌金属酶）

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更新时间：2023-05-22
乙醇脱氢酶
一种含锌金属酶
乙醇脱氢酶，大量存在于人和动物肝脏、植物及微生物细胞之中，作为生物体内主要短链醇代谢的关键酶，它在很多生理过程中起着重要作用。是一种含锌金属酶，具有广泛的底物特异性。
基本信息
中文名
乙醇脱氢酶
外文名
Alcohol dehydrogenase
简称
ADH
说明
含锌金属酶
性质
具有广泛的底物特异性
简介
乙醇脱氢酶
乙醇脱氢酶（Alcohol dehydrogenase，简称ADH）的系统名为：乙醇：辅酶I氧化还原酶（alcohol：NAD+ oxidoreductase），大量存在于人和动物肝脏、植物及微生物细胞之中，是一种含锌金属酶，具有广泛的底物特异性。乙醇脱氢酶够以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)为辅酶，催化伯醇和醛之间的可逆反应：CH3CH2OH+ NAD+→ CH3CHO +NADH+ H+。在人和哺乳动物体内，乙醇脱氢酶与乙醛脱氢酶(ALDH)构成了乙醇脱氢酶系，参与体内乙醇代谢，是人和动物体内重要的代谢酶。作为生物体内主要短链醇代谢的关键酶，它在很多生理过程中起着重要作用。它是一种广泛专一性的含锌金属酶。乙醇脱氢酶乙醇氧化体系是在肝脏中代谢酒精的一条主要途径。乙醇脱氢酶氧化体系包括醇脱氢酶(ADH)和醛脱氢酶(ALDH)。
演化发现
演化
生物遗传的许多证据表明，谷胱甘肽甲醛脱氢酶与ADH3一样，可能是整个乙醇脱氢酶家族的祖先。早在进化时，有效消除内源性和外源性甲醛的方法就很重要，并且这种能力已经通过时间保留在了ADH3中。由于基因的一系列突变，ADH3的重复基因演变为其他的乙醇脱氢酶。据认为，在酵母中发现了将糖类转化为酒精的的能力，酵母细胞可以通过产生高浓度的酒精，使其他生物体中毒，以有效地消除它们的竞争。由于腐烂的水果可以包含超过4%的乙醇，动物吃水果需要一个系统来代谢外源乙醇。这可以解释为什么其他物种比酵母更需要乙醇脱氢酶ADH。
发现
首次分离出乙醇脱氢酶（ADH）是在1937年，是从酿酒酵母（面包酵母）中纯化得到的。Hugo Theorell和他的同事研究了马肝脏中乙醇脱氢酶催化机理的很多方面。乙醇脱氢酶还是首先测定了氨基酸序列以及蛋白质三维结构的寡聚酶之一。在1960年初，在果蝇属果蝇中也发现了乙醇脱氢酶。
性质
乙醇脱氢酶是一个质量为80kDa的二聚体，包括一组同工酶，这些同工酶都能够将乙醇转化为乙醛。在哺乳动物中，这是一个涉及辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的氧化还原反应。乙醇脱氢酶负责催化氧化伯醇和二级醇成为醛和酮，另外也可以影响它们的逆反应。但是对于伯醇，这种催化作用并不强，而在二级醇和环醇中催化作用较强。乙醇脱氢酶的最适作用pH值在7.0-10.0，pH值为8.0时酶活力达到最大,pH值为7.0时酶活力较为稳定；ADH的最适作用温度为37℃，温度为30-40℃时酶活力较稳定，温度超过45℃后酶活力急剧下降。
乙醇氧化
作用机制
结合辅酶NAD+→通过锌结合乙醇底物→His-51的去质子化→烟酰胺核糖的去质子化→Ser-48的去质子化→乙醇的去质子化→氢化物从醇盐离子转移至NAD+,使NADH和锌结合醛或酮→释放产物醛。这些步骤是基于动力学的研究得出，在酵母和细菌中，以上步骤刚好相反。
亚基
底物与锌和乙醇脱氢酶配位，每个亚基有两个锌原子。其中一个是参与催化的活性位点，配体是Cys-46, Cys-174,His-67和一个水分子。另一亚基则涉及结构。在这种机制下，氢化物从乙醇到达NAD +。晶体结构表明，His-51去掉了烟酰胺核糖的质子，而正是烟酰胺核糖去掉了Ser-48的质子。最后，Ser- 48使乙醇去质子化，使之成为乙醛。从机械的角度来看，如果酶结合了氢化物到达NAD +的Re面时，产生的氢气将被纳入pro-R位置。当氢化酶添加在Re面时，被视为A类脱氢酶。
活性部位
活性中心由一个锌原子，His-67， Cys-174，Cys-46，Ser-48，His-51，Ile-269，Val-292，Ala-317和Phe-319构成。锌负责结合底物酒精。Cys-146，Cys-174和His-67结合锌，Phe-319，Ala-317，His-51，Ile-269和Val-292通过氢键与NAD+稳定结合。His-51和Ile-269与烟酰胺与核糖醇形成氢键结合。Phe-319，Ala-317和Val-292与NAD+上的氨基形成氢键。关于结构锌的位点，哺乳动物的乙醇脱氢酶也有结构锌位点。在这里锌离子对蛋白质结构稳定起到至关重要的作用。用量子化学计算和分子动力学的经典方法研究的马肝醇脱氢酶（HLADH）催化和结构锌已经提示了我们它的空间结构，结构锌是由四个关系紧密的半胱氨酸配体（Cys97，Cys100，Cys103和Cys111）定位于锌离子周围近似对称的四面体上。最近的一项研究表明，锌和半胱氨酸之间的相互作用主要是通过一价的共价键结合。
类型
人体内
在人类中，乙醇脱氢酶以多种二聚体的形式存在，由至少7种不同的基因编码。乙醇脱氢酶一共具有五个类别（Class I-V），但在人的胃肝脏中存在的主要是Class I。它催化乙醇乙醛氧化作用为：CH3CH2OH+ NAD+ → CH3CHO + NADH + H+。这使得人类可以饮用含酒精的饮品，但最初其进化的目的可能是为了分解食物或者细菌在消化道中产生的醇类。还有一些人认为，其进化的目的是参与维生素的新陈代谢过程，由于乙醇的卡路里几乎为零，也许能够提供少量的纯净的能量。乙醇脱氢酶也参与了其他类型醇的反应：例如，它氧化甲醇生产甲醛和乙二醇，最终生成乙醇酸和草酸。人类至少有六种略有不同的乙醇脱氢酶。每个都是一个二聚体，每两个二聚体含有两个二价锌离子。其中一个离子是酶与底物结合必不可少的。
乙醇脱氢酶的活性因人而异。比如年轻女性就不能够像青年男子那样快速地分解酒精，因为她们体内的乙醇脱氢酶活性不如他们体内的活性高。不过，这种情况在中年之后会出现逆转。当然，并不只有表达水平能影响乙醇脱氢酶的活性，同样取决于不同人的等位基因多样性。这些等位基因的差异性与地域有关，比如，已有的研究表明，在欧洲具有高表达活性乙醇脱氢酶基因的人数远多余亚洲以及美洲。这可能与关联进化有关，简单地说由于欧洲人大多大量饮用酒精度较高的烈酒，就会自然选择那些具有高表达活性乙醇脱氢酶基因的人。
酵母细菌
与人类不同，酵母和细菌（乳酸菌，以及某些条件下的大肠杆菌除外）不将葡萄糖发酵为乳酸，他们将葡萄糖发酵为乙醇和二氧化碳。总反应式为：Glucose + 2 ADP + 2 Pi → 2 ethanol +2 CO2+ 2ATP+ 2H2O。在酵母和许多细菌中，乙醇脱氢酶在发酵起着重要作用：从糖酵解产生的丙酮酸转化为乙醛和二氧化碳，随后乙醛在ADHI的作用下转化为乙醇。后一步的目的是重新产生NAD+，于是糖酵解的能量生成得以继续。人类利用这一过程发明了酵母发酵工艺，使水果和谷物发酵成酒，但有趣的是，有时候酵母也会“饮用”自己产生的酒精。
存在于酵母中的主要乙醇脱氢酶略大于人类的乙醇脱氢酶，它具有四个亚基而不是两个，同时，它同样具有锌活性位点。不同于人和哺乳动物之处是酵母和细菌中的乙醇脱氢酶常常会组成一个“长链家族”。另外，在啤酒酵母中也存在由ADHI基因发展而来的ADHII，它的作用是将乙醇转化回乙醛，只有当周围糖浓度较低时这种酶才会发挥作用，乙醛可以毒杀环境中的糖分竞争者，当糖浓度恢复至正常水平，这种酶就不再发挥作用。
含铁酶
与上述两类乙醇脱氢酶无关，还有第三类乙醇脱氢酶是含有铁离子的，它们作用不十分明显，主要存在于某些细菌和酵母中。相对于上述两种酶，这类酶大多对氧敏感。
其他类型
进一步的醇脱氢酶类属于五重酶（quinoenzymes），并且需要醌型辅因子结合电子，这种酶的典型例子是甲醇的甲醇细菌脱氢酶。
应用
疾病诊断
人体内ADH主要在肝脏生成，所以肝脏疾患可能与血清ADH活性相关。用分光光度法测定血清中ADH的活性并结合临床探讨该项指标在肝脏疾病的诊断上有重要意义。通过实验测定血清ADH活性，从而反应出肝脏功能正常与否。通过对肝脏病人血清中ADH的测定表明，结果均显著高于健康人参考值。
酒精浓度
日常交际生活中，人们不可避免地要接触酒精。酒后驾车造成的交通事故已是屡见不鲜。另外，饮酒过量可引起酒精中毒。鉴于酒后事故及酒精中毒的严重后果，所以迅速测定血浆中乙醇浓度，对预防事故的发生及早期诊断和处理急性酒精中毒具有非常重要的临床价值。报道了一种新的酶终点法测定血浆中乙醇浓度的方法，无需去除蛋白，整个检测过程仅需90 s，可用于自动生化分析仪及手工操作，适于临床常规运用。实验中他们选用三（羟甲基）氨基甲烷—盐酸（Tris-HCL）作为缓冲体系，在碱性条件下，乙醇脱氢酶（ADH）催化乙醇转化成乙醛，同时生成还原型辅酶（NADH）。在340 nm波长处检测吸光度的变化，对照标准计算乙醇的浓度。
催化剂
在化学工业中，利用ADH的催化特性生产许多原材料及中间反应物。在二氧化碳转化合成甲醇的过程中，ADH就发挥了酶的催化作用。为实现CO2向甲醇的转化，研究者曾尝试了多种方法，其中酶催化法以其高效、专一及反应条件温和等优点，近些年来备受关注，在CO2的固定和还原反应中已有应用。许松伟等采用甲酸脱氢酶、甲醛脱氢酶和ADH为催化剂，以NADH作为电子供体，通过三步串连反应将CO2转化为甲醇，探索出了CO2利用的新途径。
临床意义
酒精中毒
曾有研究显示，乙醇脱氢酶可能导致患者对乙醇代谢依赖性的酗酒。研究人员初步检测到一个可能与酗酒有关的几个基因。如果这些基因变体编码的ADH2和ADH3进入慢代谢形式，可能会增加酗酒的风险。该研究发现，突变的ADH2和ADH3与亚洲人群酗酒有关。然而，事实是否真是如此，还需要继续深入研究。
药物依赖
药物依赖是关于乙醇脱氢酶的另一个问题，研究人员认为这可能与酗酒有关。一个特别的研究表明，药物依赖与7个乙醇脱氢酶的相关基因有关。这些结果可能有助于有针对性的治疗这些特定的基因。然而，这还有待于更多的深入研究。