Alcool déshydrogénase - Alcohol dehydrogenase
| Alcool déshydrogénase | |||||||||
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| Identifiants | |||||||||
| CE n° | 1.1.1.1 | ||||||||
| N ° CAS. | 9031-72-5 | ||||||||
| Bases de données | |||||||||
| IntEnz | Vue IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Entrée BRENDA | ||||||||
| ExPASy | Vue NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Entrée KEGG | ||||||||
| MétaCycle | voie métabolique | ||||||||
| PRIAM | profil | ||||||||
| Structures de l' APB | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Ontologie des gènes | AmiGO / QuickGO | ||||||||
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Les alcools déshydrogénases ( ADH ) ( EC 1.1.1.1 ) sont un groupe d' enzymes déshydrogénases présentes dans de nombreux organismes et qui facilitent l'interconversion entre les alcools et les aldéhydes ou les cétones avec la réduction du nicotinamide adénine dinucléotide (NAD + ) en NADH. Chez l' homme et de nombreux autres animaux , ils servent à décomposer les alcools qui seraient autrement toxiques, et ils participent également à la génération de groupes aldéhyde, cétone ou alcool utiles lors de la biosynthèse de divers métabolites . En levure, des plantes, et de nombreuses bactéries , certaines alcools déshydrogénases catalysent la réaction inverse dans le cadre de la fermentation pour assurer un apport constant en NAD + .
Évolution
Des preuves génétiques provenant de comparaisons de plusieurs organismes ont montré qu'une formaldéhyde déshydrogénase dépendante du glutathion , identique à une alcool déshydrogénase de classe III (ADH-3/ADH5), est présumée être l'enzyme ancestrale de toute la famille ADH. Au début de l'évolution, une méthode efficace pour éliminer le formaldéhyde endogène et exogène était importante et cette capacité a conservé l'ADH-3 ancestral à travers le temps. La duplication du gène de l'ADH-3, suivie d'une série de mutations, a conduit à l'évolution d'autres ADH.
On pense que la capacité de produire de l' éthanol à partir du sucre (qui est à la base de la fabrication des boissons alcoolisées) a initialement évolué dans la levure . Bien que cette caractéristique ne soit pas adaptative d'un point de vue énergétique, en fabriquant de l'alcool à des concentrations si élevées qu'elles seraient toxiques pour d'autres organismes, les cellules de levure pourraient éliminer efficacement leur compétition. Étant donné que les fruits pourris peuvent contenir plus de 4% d'éthanol, les animaux mangeant les fruits avaient besoin d'un système pour métaboliser l'éthanol exogène. On pensait que cela expliquait la conservation de l'ADH actif dans l'éthanol chez des espèces autres que la levure, bien que l'ADH-3 soit maintenant connu pour avoir également un rôle majeur dans la signalisation de l'oxyde nitrique .
Chez l'homme, le séquençage du gène ADH1B (responsable de la production d'un polypeptide d' alcool déshydrogénase ) montre plusieurs variantes fonctionnelles. Dans l'un, il y a un SNP (polymorphisme nucléotidique unique) qui conduit à un résidu histidine ou arginine en position 47 dans le polypeptide mature. Dans la variante histidine, l'enzyme est beaucoup plus efficace à la conversion susmentionnée. L'enzyme responsable de la conversion de l'acétaldéhyde en acétate, cependant, n'est pas affectée, ce qui conduit à des taux différentiels de catalyse du substrat et provoque une accumulation d'acétaldéhyde toxique, provoquant des dommages cellulaires. Cela offre une certaine protection contre la consommation excessive d'alcool et la dépendance à l'alcool (alcoolisme). Divers haplotypes issus de cette mutation sont plus concentrés dans les régions proches de l'est de la Chine, une région également connue pour sa faible tolérance et dépendance à l'alcool.
Une étude a été menée afin de trouver une corrélation entre la distribution allélique et l'alcoolisme, et les résultats suggèrent que la distribution allélique est apparue avec la culture du riz dans la région il y a entre 12 000 et 6 000 ans. Dans les régions où le riz était cultivé, le riz était également fermenté en éthanol. Cela a conduit à la spéculation selon laquelle l'augmentation de la disponibilité de l'alcool entraînait l'alcoolisme et l'abus, entraînant une diminution de la capacité de reproduction. Ceux qui ont l'allèle variant ont peu de tolérance à l'alcool, ce qui réduit les risques de dépendance et d'abus. L'hypothèse postule que les individus avec l'enzyme variante histidine étaient suffisamment sensibles aux effets de l'alcool pour que le succès de reproduction différentiel se produise et que les allèles correspondants soient transmis à travers les générations. L' évolution darwinienne classique agirait pour sélectionner contre la forme néfaste de l'enzyme (variante Arg) en raison du succès reproductif réduit des individus porteurs de l'allèle. Le résultat serait une fréquence plus élevée de l'allèle responsable de l'enzyme variant de His dans les régions qui avaient été sous pression sélective le plus longtemps. La distribution et la fréquence de la variante His suivent la propagation de la riziculture dans les régions intérieures de l'Asie, avec des fréquences plus élevées de la variante His dans les régions qui ont cultivé le riz le plus longtemps. La distribution géographique des allèles semble donc être le résultat d'une sélection naturelle contre des individus ayant un succès reproducteur plus faible, à savoir ceux qui portaient l'allèle variant Arg et étaient plus sensibles à l'alcoolisme. Cependant, la persistance de la variante Arg dans d'autres populations fait valoir que l'effet ne pourrait pas être fort.
Découverte
La toute première alcool déshydrogénase (ADH) isolée a été purifiée en 1937 à partir de Saccharomyces cerevisiae (levure de bière). De nombreux aspects du mécanisme catalytique de l'enzyme ADH du foie de cheval ont été étudiés par Hugo Theorell et ses collègues. L'ADH a également été l'une des premières enzymes oligomères dont la séquence d'acides aminés et la structure tridimensionnelle ont été déterminées.
Au début des années 1960, il a été découvert chez les mouches des fruits du genre Drosophila .
Propriétés
Les alcools déshydrogénases comprennent un groupe de plusieurs isozymes qui catalysent l'oxydation des alcools primaires et secondaires en aldéhydes et cétones, respectivement, et peuvent également catalyser la réaction inverse. Chez les mammifères, il s'agit d'une réaction d'oxydoréduction (réduction/oxydation) impliquant le coenzyme nicotinamide adénine dinucléotide (NAD + ).
Oxydation de l'alcool
Mécanisme d'action chez l'homme
Pas
- Liaison du coenzyme NAD +
- Liaison du substrat alcool par coordination à l'ion zinc(II)
- Déprotonation de His-51
- Déprotonation du nicotinamide ribose
- Déprotonation du Thr-48
- Déprotonation de l'alcool
- Transfert d'hydrure de l' ion alcoxyde au NAD + , conduisant au NADH et à un aldéhyde ou cétone lié au zinc
- Libération de l'aldéhyde produit.
Le mécanisme chez les levures et les bactéries est l'inverse de cette réaction. Ces étapes sont appuyées par des études cinétiques.
Sous-unités impliquées
Le substrat est coordonné au zinc et cette enzyme a deux atomes de zinc par sous-unité. L'un est le site actif, qui est impliqué dans la catalyse. Dans le site actif, les ligands sont Cys-46, Cys-174, His-67 et une molécule d'eau. L'autre sous-unité est impliquée dans la structure. Dans ce mécanisme, l'hydrure de l'alcool passe au NAD + . Les structures cristallines indiquent que le His-51 déprotone le nicotinamide ribose, qui déprotone le Ser-48. Enfin, Ser-48 déprotone l'alcool, ce qui en fait un aldéhyde. D'un point de vue mécaniste, si l'enzyme ajoute de l'hydrure au re face du NAD + , l'hydrogène résultant est incorporé dans la position pro-R. Les enzymes qui ajoutent de l'hydrure au reface sont considérées comme des déshydrogénases de classe A.
Site actif
Le site actif de l'ADH1 humain (PDB:1HSO) se compose d'un atome de zinc, His-67, Cys-174, Cys-46, Thr-48, His-51, Ile-269, Val-292, Ala-317 et Phe-319. Dans l'isoforme de foie de cheval couramment étudiée, Thr-48 est un Ser et Leu-319 est un Phe. Le zinc coordonne le substrat (alcool). Le zinc est coordonné par Cys-46, Cys-174 et His-67. Leu-319, Ala-317, His-51, Ile-269 et Val-292 stabilisent le NAD + en formant des liaisons hydrogène . His-51 et Ile-269 forment des liaisons hydrogène avec les alcools sur le nicotinamide ribose. Phe-319, Ala-317 et Val-292 forment des liaisons hydrogène avec l'amide sur NAD + .
Site de zinc structurel
Les alcools déshydrogénases de mammifères ont également un site de zinc structurel. Cet ion Zn joue un rôle structurel et est crucial pour la stabilité des protéines. Les structures des sites catalytiques et structurels du zinc dans l'alcool déshydrogénase du foie de cheval (HLADH) révélées dans les structures cristallographiques, qui ont été étudiées par ordinateur avec des méthodes de chimie quantique ainsi qu'avec des méthodes classiques de dynamique moléculaire. Le site structurel du zinc est composé de quatre ligands cystéine étroitement espacés (Cys97, Cys100, Cys103 et Cys111 dans la séquence d'acides aminés) positionnés dans un tétraèdre presque symétrique autour de l'ion Zn. Une étude récente a montré que l'interaction entre le zinc et la cystéine est principalement régie par une contribution électrostatique avec une contribution covalente supplémentaire à la liaison.
Les types
Humain
Chez l'homme, l'ADH existe sous de multiples formes sous forme de dimère et est codé par au moins sept gènes différents. Il existe cinq classes (IV) d'alcool déshydrogénase, mais les formes hépatiques qui sont principalement utilisées chez les humains sont la classe 1. La classe 1 comprend les sous-unités α, et qui sont codées par les gènes ADH1A , ADH1B et ADH1C . L'enzyme est présente à des niveaux élevés dans le foie et la muqueuse de l' estomac . Il catalyse l' oxydation de l' éthanol en acétaldéhyde (éthanal) :
- CH 3 CH 2 OH + NAD + → CH 3 CHO + NADH + H +
Celui-ci autorise la consommation de boissons alcoolisées , mais sa finalité évolutive est probablement la dégradation des alcools naturellement contenus dans les aliments ou produits par les bactéries du tube digestif .
Un autre objectif évolutif peut être le métabolisme de l'alcool endogène vitamine A ( rétinol ), qui génère l'hormone acide rétinoïque , bien que la fonction ici puisse être principalement l'élimination des niveaux toxiques de rétinol.
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L'alcool déshydrogénase est également impliquée dans la toxicité d'autres types d'alcool : par exemple, elle oxyde le méthanol pour produire du formaldéhyde et finalement de l'acide formique . Les humains ont au moins six alcools déshydrogénases légèrement différentes. Chacun est un dimère (c'est-à-dire constitué de deux polypeptides ), chaque dimère contenant deux ions zinc Zn 2+ . L'un de ces ions est crucial pour le fonctionnement de l'enzyme : il est situé sur le site catalytique et maintient le groupe hydroxyle de l'alcool en place.
L'activité de l'alcool déshydrogénase varie entre les hommes et les femmes, entre les jeunes et les vieux, et parmi les populations de différentes régions du monde. Par exemple, les jeunes femmes sont incapables de traiter l'alcool au même rythme que les jeunes hommes parce qu'elles n'expriment pas aussi fortement l'alcool déshydrogénase, bien que l'inverse soit vrai chez les personnes d'âge moyen. Le niveau d'activité peut ne pas dépendre uniquement du niveau d'expression mais aussi de la diversité allélique au sein de la population.
Les gènes humains qui codent pour les alcools déshydrogénases de classe II, III, IV et V sont respectivement ADH4 , ADH5 , ADH7 et ADH6 .
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Levures et bactéries
Contrairement aux humains, les levures et les bactéries (à l' exception des bactéries lactiques et E. coli dans certaines conditions) ne fermentent pas le glucose en lactate. Au lieu de cela, ils le fermentent en éthanol et en CO
2. La réaction globale peut être vue ci-dessous:
- Glucose + 2 ADP + 2 Pi → 2 éthanol + 2 CO 2 + 2 ATP + 2 H 2 O
Chez la levure et de nombreuses bactéries , l'alcool déshydrogénase joue un rôle important dans la fermentation : le pyruvate issu de la glycolyse est converti en acétaldéhyde et dioxyde de carbone , et l'acétaldéhyde est ensuite réduit en éthanol par une alcool déshydrogénase appelée ADH1. Le but de cette dernière étape est la régénération du NAD + , afin que la glycolyse génératrice d'énergie puisse se poursuivre. Les humains exploitent ce processus pour produire des boissons alcoolisées, en laissant la levure fermenter divers fruits ou céréales. La levure peut produire et consommer son propre alcool.
La principale alcool déshydrogénase de la levure est plus grande que celle de l'homme, constituée de quatre sous-unités plutôt que de deux. Il contient également du zinc sur son site catalytique. Avec les alcools déshydrogénases contenant du zinc des animaux et des humains, ces enzymes des levures et de nombreuses bactéries forment la famille des alcools déshydrogénases « à longue chaîne ».
La levure de bière possède également une autre alcool déshydrogénase, l' ADH2 , qui a évolué à partir d'une version dupliquée du chromosome contenant le gène ADH1 . L'ADH2 est utilisé par la levure pour reconvertir l'éthanol en acétaldéhyde, et il n'est exprimé que lorsque la concentration en sucre est faible. Le fait d'avoir ces deux enzymes permet à la levure de produire de l'alcool lorsque le sucre est abondant (et cet alcool tue ensuite les microbes concurrents), puis de poursuivre l'oxydation de l'alcool une fois que le sucre et la concurrence ont disparu.
Les plantes
Chez les plantes, l'ADH catalyse la même réaction que chez les levures et les bactéries pour assurer un apport constant de NAD + . Le maïs a deux versions d'ADH - ADH1 et ADH2, Arabidopsis thaliana ne contient qu'un seul gène ADH. La structure d' Arabidopsis ADH est conservée à 47 % par rapport à l'ADH du foie de cheval. Les résidus structurellement et fonctionnellement importants, tels que les sept résidus qui fournissent des ligands pour les atomes de zinc catalytiques et non catalytiques, sont cependant conservés, suggérant que les enzymes ont une structure similaire. L'ADH est exprimé de manière constitutive à de faibles niveaux dans les racines de jeunes plantes cultivées sur gélose. Si les racines manquent d'oxygène, l'expression d' ADH augmente significativement. Son expression est également augmentée en réponse à la déshydratation, aux basses températures et à l'acide abscissique , et il joue un rôle important dans la maturation des fruits, le développement des plantules et le développement du pollen. Les différences dans les séquences d' ADH dans différentes espèces ont été utilisées pour créer des phylogénies montrant à quel point différentes espèces de plantes sont étroitement liées. C'est un gène idéal à utiliser en raison de sa taille pratique (de 2 à 3 kb de longueur avec une séquence codante de nucléotides 1000) et de son faible nombre de copies.
Contenant du fer
| Alcool déshydrogénase contenant du fer | |||||||||
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 complexe de glycérol déshydrogénase bacillus stearothermophilus avec du glycérol
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| Identifiants | |||||||||
| symbole | Fe-ADH | ||||||||
| Pfam | PF00465 | ||||||||
| Clan Pfam | CL0224 | ||||||||
| InterPro | IPR001670 | ||||||||
| PROSITE | PDOC00059 | ||||||||
| SCOP2 | 1jqa / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
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Une troisième famille d'alcools déshydrogénases, sans rapport avec les deux ci-dessus, sont celles contenant du fer . Ils se produisent dans les bactéries et les champignons. Par rapport aux enzymes des familles ci-dessus, ces enzymes sont sensibles à l'oxygène. Les membres de la famille des alcools déshydrogénases contenant du fer comprennent :
- Saccharomyces cerevisiae alcool déshydrogénase 4 (gène ADH4)
- Zymomonas mobilis alcool déshydrogénase 2 (gène adhB)
- Escherichia coli propanediol oxydoréductase EC 1.1.1.77 (gène fucO), une enzyme impliquée dans le métabolisme du fucose et qui semble également contenir des ions ferreux .
- Clostridium acetobutylicum Butanol déshydrogénases NADPH - et NADH - dépendantes EC 1.1.1.- (gènes adh1, bdhA et bdhB), enzymes qui ont une activité utilisant le butanol et l' éthanol comme substrats .
- E. coli adhE, une enzyme dépendante du fer qui possède trois activités différentes : l'alcool déshydrogénase, l' acétaldéhyde déshydrogénase (acétylation) EC 1.2.1.10 et la pyruvate-formiate-lyase désactivase.
- Glycérol déshydrogénase bactérienne EC 1.1.1.6 (gène gldA ou dhaD).
- Clostridium kluyveri 4-hydroxybutyrate déshydrogénase NAD-dépendante(4hbd) EC 1.1.1.61
- Citrobacter freundii et Klebsiella pneumoniae 1,3-propanediol déshydrogénase EC 1.1.1.202 (gène dhaT)
- Bacillus methanolicus Méthanol déshydrogénase NAD-dépendante EC 1.1.1.244
- E. coli et la protéine d' utilisation de l' éthanolamine de Salmonella typhimurium eutG.
- Protéine hypothétique d' E. coli yiaY.
Autres types
Une autre classe d'alcools déshydrogénases appartient aux quinoenzymes et nécessite des cofacteurs quinoïdes (par exemple, la pyrroloquinoléine quinone, PQQ) comme accepteurs d'électrons liés aux enzymes. Un exemple typique de ce type d'enzyme est la méthanol déshydrogénase des bactéries méthylotrophes.
Applications
En biotransformation, les alcools déshydrogénases sont souvent utilisées pour la synthèse de stéréoisomères énantiomériquement purs d'alcools chiraux. Souvent, une chimio et une énantiosélectivité élevées peuvent être atteintes. Un exemple est l'alcool déshydrogénase de Lactobacillus brevis ( Lb ADH), qui est décrit comme un biocatalyseur polyvalent. La chimiospécificité élevée a été confirmée également dans le cas de substrats présentant deux sites redox potentiels. Par exemple, le cinnamaldéhyde présente à la fois une double liaison aliphatique et une fonction aldéhyde. Contrairement aux catalyseurs classiques, les alcools déshydrogénases ne sont capables d'agir sélectivement que sur ces derniers, donnant exclusivement de l'alcool cinnamylique .
Dans les piles à combustible, des alcool déshydrogénases peuvent être utilisés pour catalyser la décomposition de carburant , pour un mélange éthanol pile à combustible . Des scientifiques de l'Université de Saint Louis ont utilisé de l'alcool déshydrogénase supportée par du carbone avec du poly( vert de méthylène ) comme anode, avec une membrane nafion , pour atteindre environ 50 μ A /cm 2 .
En 1949, E. Racker a défini une unité d'activité d'alcool déshydrogénase comme la quantité qui provoque un changement de densité optique de 0,001 par minute dans les conditions standard de dosage . Récemment, la définition internationale d'unité enzymatique (UE) est devenue plus courante : une unité d'alcool déshydrogénase convertira 1,0 μmole d' éthanol en acétaldéhyde par minute à pH 8,8 à 25 °C.
Signification clinique
Alcoolisme
Des études ont montré que les variations de l'ADH qui influencent le métabolisme de l'éthanol ont un impact sur le risque de dépendance à l'alcool. L'effet le plus fort est dû aux variations de l'ADH1B qui augmentent la vitesse à laquelle l'alcool est converti en acétaldéhyde. L'une de ces variantes est la plus courante chez les individus d'Asie de l'Est et du Moyen-Orient, une autre est plus courante chez les individus d'Afrique. Les deux variantes réduisent le risque d'alcoolisme, mais les individus peuvent devenir alcooliques malgré cela. Les chercheurs ont provisoirement détecté quelques autres gènes associés à l' alcoolisme et savent qu'il doit en rester beaucoup d'autres. Les recherches se poursuivent afin d'identifier les gènes et leur influence sur l'alcoolisme.
Dépendance aux drogues
La toxicomanie est un autre problème associé à l'ADH, qui, selon les chercheurs, pourrait être lié à l'alcoolisme. Une étude particulière suggère que la toxicomanie est associée à sept gènes ADH, cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires. La dépendance à l'alcool et d'autres toxicomanies peuvent partager certains facteurs de risque, mais comme la dépendance à l'alcool est souvent comorbide avec d'autres toxicomanies, l'association de l'ADH avec les autres toxicomanies peut ne pas être causale.
Empoisonnement
Le fomépizole , un médicament qui inhibe de manière compétitive l' alcool déshydrogénase, peut être utilisé dans le cadre d'une toxicité aiguë du méthanol ou de l' éthylène glycol . Cela empêche la conversion du méthanol ou de l'éthylène glycol en ses métabolites toxiques (tels que l'acide formique , le formaldéhyde ou le glycolate ). Le même effet est également parfois obtenu avec l' éthanol , encore une fois par inhibition compétitive de l'ADH.
Métabolisme des médicaments
Le médicament hydroxyzine est divisé en son métabolite actif la cétirizine par l'alcool déshydrogénase. D'autres médicaments avec des groupes alcool peuvent être métabolisés de manière similaire tant que l'encombrement stérique n'empêche pas l'alcool d'atteindre le site actif.
Voir également
- Alcool déshydrogénase (NAD(P)+)
- Aldéhyde déshydrogénase
- Oxydoréductase
- Teneur en alcool dans le sang pour les taux de métabolisme
Les références
Liens externes
- PDBsum a des liens avec les structures tridimensionnelles de diverses alcools déshydrogénases contenues dans la Protein Data Bank
- ExPASy contient des liens vers les séquences de l'alcool déshydrogénase dans Swiss-Prot , vers une recherche documentaire Medline sur l'enzyme et vers des entrées dans d'autres bases de données.
- Le PDBe-KB fournit un aperçu de toutes les informations de structure disponibles dans le PDB pour l'alcool déshydrogénase 1A.
- Le PDBe-KB fournit un aperçu de toutes les informations de structure disponibles dans le PDB pour l'alcool déshydrogénase 1B.
- Le PDBe-KB fournit un aperçu de toutes les informations de structure disponibles dans le PDB pour l'alcool déshydrogénase 1C.
- Le PDBe-KB fournit un aperçu de toutes les informations de structure disponibles dans le PDB pour l'alcool déshydrogénase 4.
- Le PDBe-KB fournit un aperçu de toutes les informations de structure disponibles dans le PDB pour l'alcool déshydrogénase de classe 3.
