ALCOHOL DESHIDROGENASA

Laura Díez Pérez, Mónica Domingo Martínez y Ainhoa Gómez García

1º BIOLOGÍA SANITARIA UAH

1. INTRODUCCIÓN

  • La alcohol deshidrogenasa (ADH) es una enzima ampliamente distribuida en animales, plantas y microorganismos descubierta a mediados de los años 1960 en la mosca Drosophila melanogaster y es un dímero con un peso molecular de 80 kDa.
  • Es muy abundante en el feto siendo la enzima orgánica más estudiada.
  • Son un grupo de isoenzimas que están frecuentemente presentes en muchos organismos y facilitan la interconversión entre alcoholes y aldehídos o cetonas con la reducción de NAD+ a NADH. La reacción catalizada es:

Alcohol + NAD+ ⇌ Aldehído o Cetona + NADH

  • Como cofactores en la reacción es posible la utilización de zinc o hierro dependiendo del tipo de alcohol deshidrogenasa.
  • Además es nuestra primera defensa contra el alcohol (etanol), una molécula tóxica que compromete el funcionamiento de nuestro sistema nervioso.
  • Está concentrada en nuestro hígado y estómago, capaz de desintoxicar nuestro organismo a razón de un trago por hora. En el proceso, el alcohol es convertido en etanal (aldehído acético) –una molécula más tóxica aún– que rápidamente es transformado en acetato y otras moléculas que pueden metabolizarse fácilmente por nuestras células. Así, una molécula potencialmente peligrosa es convertida –gracias a la alcohol deshidrogenasa– en un conjunto de nutrientes.

2. ESTRUCTURA

Estructura molecular

  • La ADH (E.C 1.1.1.1) se encuentra en la familia de las deshidrogenasas/ reductasas de cadena media. Además, en vertebrados son metaloenzimas ya que contienen átomos de zinc. Consta de dos subunidades (homodímero) con 374 aminácidos y con un peso molecular de 74000 Da. Cada subunidad presenta a su vez dos dominios: uno catalítico (en el dímero estos se encuentran lo más alejados posibles) y otro de unión al coenzima y, entre ambos, encontramos una hendidura hidrofóbica que es el lugar de unión al sustrato (centro activo).
    • Dominio de unión a NAD+ (176-318): lámina beta central de 6 cadenas beta antiparalelas con hélices alfa a su alrededor. El NAD+ se une al carbono terminal de la lámina beta.
    • Dominio catalítico (1-175 y 319-374) presenta cadenas beta y hélides alfa en forma de plegamiento de Rossmann.
    • La hendidura está formada por dos hélices, una proveniente de cada dominio y que se acaban cruzando. Hay dos cationes Zn2+ por monómero, uno es obligatorio que esté presente en el sitio catalítico para poder realizar la acción enzimática y el otro se sitúa en la región superficial y ayuda a la estabilidad y al mantenimiento estructural. El sustrato (alcohol) se une dentro de la hendidura donde está el catión Zn2+ mientras el anillo de nicotinamida del NAD también se encuentra señalando hacia la hendidura.
  • El dímero se forma por la unión de los dos dominios de unión a NAD de tal manera que sus 2 láminas beta centrales dan lugar a un plegamiento de 12 láminas beta.

(Alcohol dehydrogenase monomer by cmenorsalvan on Sketchfab )

Origen

  • Se han detectado hasta 7 genes que codifican para esta enzima (con sus respectivos alelos). La consecuencia es que hay varias isoenzimas (en feto se han detectado de 6 a 12), sus propiedades físico-químicas son iguales pero se diferencian en algún aminoácido de su secuencia proteica provocando que la carga de la proteína sea ligeramente distinta y así pudiéndose identificar mediante electroforesis y cromatografía de intercambio iónico. Se han agrupado las ADH en clases dependiendo de:
    • La especificidad de sustrato
    • Propiedades cinéticas
    • Sensibilidad al inhibidor pirazol y derivados
    • Movilidad en la electroforesis en gel de almidón
    • Patrón de expresión
    • Identidad de secuencia
    • Análisis de árboles filogenéticos

Clases

(Distribución de las alcohol deshidrogenasas ADH1 y ADH4 en… – semr02de15.pdf)
  • Podemos agruparlas en ocho clases (ADH1-ADH8) aunque en ninguna especie se han encontrado todas las clases. En humano, tenemos las clases I, II, III, IV y V que vienen determinadas por la subunidades ya citadas:
    1. ADH clase I con las subunidades α, β, γ. Se divide a su vez en ADH1A, ADH1B y ADH1C. Predomina en hígado y es la que más elimina el etanol ingerido (es la que más afinidad presenta). Aunque también está en otros tejidos
    2. ADH clase II que presenta la subunidad π. También muestra actividad con diversos alcoholes y aldehídos, alifáticos y aromáticos, aunque con menor especifidad que la anterior; y con intermediarios del metabolismo de la serotonina y de la noradrenalina.
    3. ADH clase III con la subunidad χ. Llamada formaldehído deshidrogenasa porque cataliza la oxidación del compuesto S-hidroximetilglutatión, generado espontáneamente por la reacción del formaldehído con el glutatión reducido formando S-formilglutatión (lo elimina protegiendo al resto del organismo); y la oxidación de alcoholes primarios de cadena larga.
    4. ADH clase IV con la subunidad σ.
    5. ADH clase V. (Poco investigada)
(Distribución de las alcohol deshidrogenasas ADH1 y ADH4 en… – semr02de15.pdf)

3. PAPEL BIOLÓGICO Y BIOQUÍMICO

Nuestro organismo sintetiza al menos nueve formas de la alcohol deshidrogenasa con propiedades ligeramente diferentes. La mayoría de ellas se encuentra en el hígado como la forma beta 3. La forma sigma se encuentra en la pared estomacal.

El etanol se metaboliza fundamentalmente por oxidación, transformándose en acetaldehido.

Lo más común y habitual es que se den situaciones de consumo oral, en el que la oxidación del etanol acontece principalmente en el hígado y está fundamentalmente mediada por la enzima alcohol deshidrogenasa (ADH).

Esta enzima cataliza la conversión reversible de los alcoholes a sus correspondientes aldehídos y cetonas utilizando NAD+ (Nicotínamida-Adenina-Dinucleótido) como cofactor, que luego este acetaldehído producido será metabolizado a acetato principalmente por la aldehído deshidrogenasa hepática.

La reacción de oxidación del etanol es la siguiente:

Alcohol + NAD+ ⇌ Aldehído o Cetona + NADH

En los humanos y muchos otros animales, sirven para eliminar alcoholes que podrían ser tóxicos; en las levaduras y muchas bacterias, algunas alcohol deshidrogenasas catalizan la reacción opuesta como parte de la fermentación alcohólica.

En todos los seres vivos la enzima actúa sobre los alcoholes primarios, secundarios y hemiacetales. Solamente en los animales actúa sobre alcoholes cíclicos secundarios.

En humanos se han clonado, hasta el momento, siete genes diferentes para la ADH.

Para las subunidades β y γ se ha descrito polimorfismo, de tal forma que la existencia en la ADH2 de diferentes alelos para la subunidad β (β1, β2, β3) y en la ADH3 alelos para la subunidad γ (γ1, γ2, γ3), produce diferencias en las propiedades cinéticas (velocidad) de cada isoenzima.

Aquí entra en juego la Km (constante de Michaelis-Menten) que es característica de una enzima y particular para un sustrato. Refleja la afinidad de la enzima por ese sustrato. Esta es numéricamente igual a la concentración de sustrato a la cual la velocidad de reacción es la mitad de la Vmáx (Km= Vmáx/2).

Este parámetro, Km no  varía con la concentración de enzima. En este punto la mitad de las moléculas de enzima se encuentran formando complejos ES (complejo enzima-sustrato).

  • Significado de una Km pequeña: un valor numérico pequeño de Km refleja una alta afinidad de la enzima por su  sustrato porque a una baja concentración del mismo, la enzima ha desarrollado ya la mitad de la velocidad  máxima. 
  • Significado de una Km grande: el valor numérico grande de Km refleja una baja afinidad de la enzima por su  sustrato porque a una concentración elevada del mismo, la enzima desarrolla la mitad de la velocidad  máxima.
  • Relación de la velocidad con la concentración de enzima: la velocidad de la reacción es directamente  proporcional a la concentración de la enzima a cualquier concentración de sustrato. Por ejemplo, si la  concentración de enzima es disminuida a la mitad, la velocidad inicial de la reacción (v0) es reducida  también a la mitad de la original. 

 Los valores de la Km para las diferentes clases del enzima (I, II, III) se encuentran en un rango entre 0.05 mM para la ADH2 típica (β1 β1) y 1M para la clase III (χ) que, por tanto, aparece como no saturable. No obstante, y debido a su baja afinidad por el sustrato, la clase III de ADH no parece participar en la oxidación del etanol, incluso aunque se alcancen altas concentraciones en plasma.

METABOLISMO OXIDATIVO DEL ETANOL EN OTROS TEJIDOS

Los tejidos de otros órganos corporales tales como el riñón, el corazón o el estómago también presentan uno o más de los sistemas enzimáticos a los que nos hemos referido, y por  tanto, son capaces,  de oxidar etanol a acetaldehído. A este respecto, el metabolismo más estudiado ha sido el digestivo. En el estómago humano se han descrito tres clases de ADH: ADH clase I, ADH clase III y ADH clase IV, que parece casi exclusiva para este tejido y que no se encuentra en el hígado. La mayoría de la oxidación gástrica del etanol tiene lugar en la mucosa mediante la ADH clase I.

INTERACCIÓN DEL METABOLISMO DEL ETANOL CON OTRAS DROGAS Y NUTRIENTES

Como ya ha quedado detalladamente explicado en los apartados anteriores, el metabolismo del alcohol se efectúa principalmente en el hígado por mediación del enzima alcohol deshidrogenasa. No obstante, a concentraciones saturantes de etanol para el complejo NAD-ADH, otros sistemas como MEOS y catalasa juegan un papel significativo y contribuyen en su oxidación a acetaldehído.

El consumo crónico o excesivo de etanol produce, como ya explicamos, una inducción significativa del P-450 2E1 y otros citocromos P-450 en las células hepáticas, aunque el mecanismo responsable de dicha inducción no se conoce suficientemente. No obstante, se ha propuesto que la presencia de etanol en la célula retrasaría la degradación de esta proteína en los hepatocitos por las proteasas (proteínas integrales transmembranosas que sirven para el transporte de sustancias), aumentando así, la vida media de este componente microsomal. Este aumento de la actividad observada, siguiendo el consumo de alcohol, pudiera ser el resultado de la ruptura del equilibrio entre degradación y síntesis de CYP2E1 en las células hepáticas. De ser así, el consumo crónico de alcohol puede producir como consecuencia un metabolismo acelerado de sustancias que son sustratos para estos enzimas.

4. EVOLUCIÓN

La evidencia genética de las comparaciones de múltiples organismos, mostró que un formaldehido deshidrogenasa dependiente del glutatión, idéntica a una alcohol-deshidrogenasa clase III, es probable que sea la enzima ancestral para toda la familia ADH. Al principio de la evolución, un método eficaz para la eliminación de formaldehido tanto endógeno y exógeno era importante y esta capacidad se ha conservado en la ancestral ADH-III; seguido por una serie de mutaciones, las otras ADHs evolucionaron. Se cree que la capacidad de producir etanol a partir de azúcar ha evolucionado inicialmente en la levadura, esta característica no es adaptiva desde un punto de vista energético, pero al hacer alcohol en concentraciones tan elevadas eran tóxicos para otros organismos de manera que las células podrían eliminar de manera efectiva su competencia dado que el medio donde se podría contener más de 4% de etanol, podría causar un desbalance en el sistema de cualquier organismo para metabolizar etanol exógeno.

Esto fue pensado para explicar la conservación de etanol activo ADH en otras especies de levadura, aunque ADH-III se sabe que también tiene un papel importante en la señalización.

5. IMPLICACIONES BIOMÉDICAS

Alcohol deshidrogenasa y la dependencia alcohólica

La dependencia alcohólica es una enfermedad que afecta a amplios sectores de la población y tiene un origen tanto social como biológico. Estudios señalan que el enzima alcohol deshidrogenasa (ADH) influye en el desarrollo de esta enfermedad.

El metabolismo del alcohol no es igual en todos los individuos y depende, principalmente, de la enzima encargada de su degradación. Como se ha comentado previamente, el etanol se metaboliza por oxidación y la ADH es la encargada de mediar dicha reacción. Además, ante niveles muy elevados de alcohol o deficiencias en el sistema principal, existen otros dos sistemas enzimáticos que realizan la oxidación de etanol. Estos son el citocromo P450 2E1 (CYP2E1) y la catalasa-oxidasa.

Tanto la biodisponibilidad del etanol como el desarrollo de enfermedades por su consumo se ven influenciadas por las diferencias genéticas de las enzimas implicadas en su metabolismo. El grado de actividad de estas enzimas está influenciado por polimorfismos presentes en los genes que codifican para dichas enzimas. En este sentido, el polimorfismo del enzima alcohol deshidrogenasa (ADH) y del acetaldehído deshidrogenasa (ALDH) puede producir importantes diferencias en los niveles de etanol en sangre y corresponde a uno de los factores determinantes para el desarrollo de una hepatopatía terminal en respuesta al consumo de alcohol.

Las formas variantes de la ADH (ADH2*2 y ADH2*3). La primera variante contiene una subunidad b2 en lugar de b1, que es la que se observa en la forma típica de la enzima, y la segunda variante una subunidad b3. Al estudiar ambos alelos se encontró que los individuos con la presencia de los alelos ADH2*2 y ADH2*3 pueden metabolizar cuatro veces mas etanol que los fenotipos ADH2*1. Se encontró igualmente que la isoenzima b3 b3 (ADH2*3) posee una actividad treinta veces mayor que la b1 b1 (ADH2*1), lo que corresponde con una Km mayor.  Por lo tanto, puede suponerse que el índice metabólico del etanol, y la consiguiente formación de acetaldehído estará más acelerado en los individuos que portan los alelos ADH2*2 y ADH2*3.

Por otro lado, se ha demostrado que la población oriental muestra una mayor presencia de la variante ADH2*2 que la población caucásica, que presenta la forma de ADH típica (ADH2*1). Esto explicaría la mayor susceptibilidad de los orientales ante el consumo de alcohol.

También se ha encontrado que la actividad del ADH es menor en las mujeres que en los hombres, por ello las mujeres muestran una mayor concentración de etanol en sangre que los hombres ante consumos idénticos.

Otro estudio efectuado en Europa evidenció que alelo ADH2*2 se encuentra mas elevado en individuos no alcohólicos (3,8%) que en pacientes alcohólicos (1,5%), al igual que la frecuencia del alelo ADH2* 2 en razas orientales se encuentra significativamente disminuida en individuos alcohólicos.

Estos resultados llevan a la idea de que la presencia de los alelos ADH2*2 y ADH2*3, cuyas respectivas isoenzimas poseen una Km mayor, y por lo tanto metabolizan más rápidamente el etanol, es decir, la formación de acetaldehído está más acelerada, podría proteger a sus portadores del alcoholismo. Esto se debe a la toxicidad del acetaldehído y los efectos fisiológicos que produce su alta concentración en sangre, que reduce la predisposición de los individuos ante el abuso de alcohol. Cabe señalar también que esto resulta en que el alcoholismo tiene un factor genético, que hace que las personas sean más susceptibles o no a su consumo.

Síntesis de fármacos

La alcohol deshidrogenasa cataliza la oxidación de alcoholes a aldehídos y cetonas pero también cataliza la reacción inversa. Es decir, la obtención de alcoholes a partir de aldehídos y cetonas.

La ADH cataliza reacciones de interés en la preparación de fármacos como el antiasmático Montelukast, el cual se conoce en el mercado con distintos nombres como Singulair, Everest o Senovital entre otros.

Biorreducción en la síntesis del antiasmático Montelukast.

Otro ejemplo lo encontramos en la producción del sintón quiral de la cadena lateral de estatinas como la Atorvastatina, empleada para disminuir los niveles de colesterol en sangre y así evitar dolencias cardiovasculares. Su producción se lleva a cabo en dos pasos y el primero es catalizado por la ADH, que reduce el 4-cloro-3-oxobutanoato de etilo, obteniendo en forma enantiopura el (S)-4-cloro-3-hidroxibutanoato de etilo.

Bibliografía

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