Роль алкогольдегидрогеназы для человека

Размещено на http://allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

Алкогольдегидрогеназа - адаптивный фермент класса дегидрогеназ, катализирующий окисление спиртов и ацеталей до органических соединений карбонильной группы - альдегидов и кетонов. Для этого необходим акцептор - в данном случае это никотинамидадениндинуклеотид (НАД) - кофермент, присутствующий во всех дегидрогеназах и являющийся переносчиком некоторых элементарных частиц и элементов.

Алкогольдегидрогеназа - типичный димер, то есть молекула, состоящая их двух простых молекул. Некоторые изомеры имеют в своем составе четыре молекулы - но также парные.

Алкогольдегидрогеназа не является специфическим человеческим ферментом. Она содержится в организме млекопитающих, рыб, насекомых. Бактерии и дрожжи тоже содержат алкогольдегидрогеназу - чаще в виде двойных димеров, обнаружена алкогольдегидрогеназа также в растениях и водорослях.

Функции и роль в организме человека:

Роль алкогольдегидрогеназы в организме человека (и не только) не ограничивается ее специфическими свойствами, отраженными в названии. Установлено (хотя в некоторых случаях и дискутируется) ее включение во многие биохимические процессы. В частности:

· участие в процессах окисления ретинола (витамина А) до ретиналя - предшественника ретиноевой кислоты);

· поддержание оптимального уровня нейромедиаторов;

· включение в процессы катаболизма и окисления некоторых стероидов;

· участие в синтезе, катаболизме и поддержании уровня холестерина, жирных кислот и простагландинов;

· обнаруженная в крови алкогольдегидрогеназа является важным диагностическим признаком. Поскольку в организме человека алкогольдегидрогеназа присутствует в основном в гепатоцитах - клетках печени - то ее появление в сыворотке крови может говорить об их острой или хронической патологии, например, тяжелой интоксикации, гепатите;

· и, наконец, алкогольдегидрогеназа является важным фактором защиты организма от разрушающего действия многих ксенобиотиков, в частности, этанола.

Роль и значение в формировании хронического алкоголизма или устойчивости организма к этанолу.

Чтобы после принятия спиртного человек не скончался от отравления продуктами распада этанола, природа предусмотрела особую ферментную систему. Состоит она, упрощенно, из алкогольдегидрогеназы, которая расщепляет этанол до ацетальдегида, и ацетальдегиддегидрогеназы, под действием которой ацетальдегид переходит в уксусную кислоту, которая затем выводится.

Фермент алкогольдегидрогеназа может иметь несколько изомеров, ученые кодируют их цифрами, а для врачей большее значение имеет скорость переработки этанола в альдегид. Поэтому у медиков в ходу названия «быстрая» и «медленная» алкогольдегидрогеназа. «Быстрая» алкогольдегидрогеназа быстрее перерабатывает алкоголь, меньшее его количество выбрасывается в кровь и поступает в мозг, поэтому человек почти не пьянеет и имеет меньшую склонность к хронизации алкоголизма. Естественно, что от быстрой переработки образуется такое же количество ацетальдегида, что и у тех, кому приходится жить с «медленной» алкогольдегидрогеназой.

При этом имеет значение активность ацетальдегиддегидрогеназы - второго компонента «противоалкогольной» ферментной системы. Врачи характеризуют ее как «активную» и «неактивную». Первая быстро, мощно, практически сразу разрушает альдегид. Отсюда возможны варианты комбинации: «быстрая» алкогольдегидрогеназа и неактивная ацетальдегиддегидрогеназа приводит к быстрому развитию похмельного с синдрома: буквально выпил, не успел толком опьянеть, а уже плохо. Или: «медленная» алкогольдегидрогеназа -- и алкоголь расщепляется в течение длительного времени и «неактивная» ацетальдегиддегидрогеназа дают тяжелое, продолжительное похмелье со всеми признаками интоксикации.

Обменными процессами этанола (этилового спирта) руководят алкогольдегидрогеназа (АДГ), ацетальдегиддегидрогеназа (АцДГ) и много меньше, другие ферменты. Ферменты (энзимы) управляют химическими реакциями в организме (могут направлять в ту или иную сторону химические реакции, ускорять и замедлять их).

На сегодняшний день уже выделили целый ряд АДГ. Выделяют 6 классов АДГ с различными свойствами и характеристиками.

АДГ рассматривают как защитников организма от внутриобразующихся и поступающих из вне различных отравляющих и вызывающих рак (опухоли) веществ. В тоже время, при определённых обстоятельствах, АДГ могут сами запускать процессы образования (синтеза) повреждающих соединений. Также АДГ участвует в образовании многих других полезных и важных для организма веществ, таких как нейромедиаторы (как бы высокоспециализированные гормоны (активные вещества, регулирующие работу организма) для головного мозга и нервной системы, гормонов и других регуляторных соединений, а также щ гидрооксижирных кислот (это органические жирные кислоты, которые укрепляют стенки клеток в организме (мембраны), стенки сосудов, препятствуя развитию атеросклероза и других веществ.

Весь этот сложный комплекс функций сочетается с данными об эволюции и этнических особенностях распространения АДГ различных классов, позволяющих понять основы неодинакового отношения к этанолу различных популяций людей. И, наконец, иммунохимические исследования открыли новые перспективы лечения алкоголизма появились данные о том, что алкоголизм возможно научатся лечить при помощи прививок.

1 АЛКОГОЛЬДЕГИДРОГЕНАЗЫ И КАТАЛИЗИРУЕМЫЕ ИМИ РЕАКЦИИ

алкогольдегидрогеназа фермент этанол органический

Состоит из двух (печень лошади) или четырех (дрожжи) одинаковых субъединиц; первичная структура фермента расшифрована полностью. Существует в виде нескольких отличающихся строением молекулярных форм (изоферментов). Каждая субъединица построена из двух доменов, на границе которых находится глубокий "карман", ограниченный гидрофобными аминокислотными остатками. На его "дне" локализован атом Zn, связанный с двумя остатками цистеина и одним остатком гистидина. находящимися соответственно в положениях 46, 174 и 57 субъединицы, а также с Н₂О. Последняя вовлечена в систему водородных связей, при участии которых происходят перенос протона при связывании НАД и поляризация субстрата в ходе катализа. Область рН, в которой проявляется оптимальная каталитич. активность, значительно зависит от источника фермента. Последний ингибируется хелатами и солями Ag+, Hg2+ и Cu2+.

АДГ у млекопитающих - это сложная молекула, состоящая из двух простых, которые могут запускать взаимообратимые реакции. Молекулы АДГ будут себя вести по-разному, в зависимости от электрического поля, температуры, кислотно-щелочного баланса. Это различное поведение соотносимо с разностями химического строения молекул АДГ и способностью их выполнять разные функции,по этому принципу АДГ разделили на 6 классов.

Внутри такого класса молекулы по строению отличаются друг от друга на 40-50%. Внутривидовые отличия составляют 30 %. При этом, за образование того или иного АДГ отвечает сразу несколько генов.

Так, АДГ I человека представлена многочисленными изосимами (эти ферменты отличаются друг от друга по строению, но при этом запускают и контролируют схожие реакции). Их парные комбинации трёх основных субъединиц - б, в и г. Они в свою очередь делятся на варианты б, в1, в2, в3, г1 и г2 (которые синтезируются шестью разными участками генов). В результате молекулы АДГ 1 различаются по целому ряду признаков (в зависимости какова их активность и в каких тканях они находятся). АДГ классов II, III и IV состоят из пар идентичных субъединиц -- р, ч и у, соответственно [10, 12, 16, 22].

С одной стороны, все АДГ разных млекопитающих схожи между собой на 50 %. Это показывает их относительную генетическую одинаковость и в тоже время дает возможность создать антигены, которые будут взяты от одного животного и введены другому животному, допустим, для блокирования АДГ - делается как прививка, по такому же принципу.

Разные АДГ различных классов имеет существенные различия по своему действию (табл. 1).

Прежде всего, необходима оценка их способности к окислению этанола (превращение его в ацетальдегид). Отвечают за эту функцию именно АДГ I и АДГ IV. Важно подчеркнуть, что контролируемая АДГ реакция (распада алкоголя и образования в одну сторону, или наоборот - из ацетальдегида образование этанола):

этанол + НАД⁺ < = > ацетальдегид + НАДН + H⁺

Данная реакция характеризуется положением равновесия, то есть при концентрациях этанола, близких к физиологическим (человек не употребляет алкоголя), оно смещено влево. То есть, когда работает наш организм, в нем происходит много разных химических реакций. При многих реакциях образуется ацетальдегид. Он очень вреден для организма, поэтому его нужно быстро обезвредить. Наиболее быстрый способ - это превратить его в алкоголь, который потом будет постепенно разрушаться, частично выводиться через органы выделения и дыхания. Таким образом АДГ I и АДГ IV спасают наш организм от переизбытка ацетальдегида. Если этот механизм ломается, то это приводит к поражению многих структур организма и просто белков.

Однако ситуация принципиально меняется при поступлении этанола извне, то есть - если человек выпил. Даже потребление этанола человеком в дозах, не вызывающих значительного опьянения, повышает концентрацию в крови до 0,1-1 мг/мл (Примечание - 1 промилле ~ 0,45 мг/л (450 мкг/л), водителям разрешено иметь концентрацию в крови 0.2 помилле), и равновесие реакции смещается вправо. То есть, под действием АДГ I и IV образуется много ацетальдегида. Это ведет к повреждению ряда других ферментов, различных центров в оболочках клеток. Таким образом ацетальдегид запускает разнообразные патологические процессы. Организм начинает вырабатывать антитела к АДГ, когда иммунная система начинает разрушать АДГ, чтобы снизить количество ацетальдегида. Это происходит, по всей видимости, при длительном потреблении этанола. В экспериментах на крысах такой ответ наблюдался после 4-6 й недели алкоголизации. Таким образом мы можем говорить о том, что иммунная система воспринимает АДГ как чужеродное вещество.

В то же время ацетальдегид способен понижать влечение к этанолу, тормозящий развитие алкоголизма и даже способствующий его лечению (когда на следующий день человек не может смотреть на алкоголь - тошнит от одного запаха).

Как известно, это обстоятельство используется в медицине. Такая двойственность роли АДГ I и IV еще более усиливается тем фактом, что по крайней мере одна из производных АДГ I (гг) способен запускать реакцию в разные стороны, в результате которой возможно окисление (превращение) ацетальдегида до ацетата и превращение ацетальдегида в этанол. То есть, ацетальдегид перерабатывается в ацетат и в этанол. Важность этого последнего процесса при физиологических (нормальных, исходных) концентрациях этанола и ацетальдегида значительна. При поступлении больших количеств этанола извне большая часть ацетальдегида окисляется ацетальдегиддегидрогеназой (АцДГ).Очень ограниченное участие в окислении этанола принимает АДГ II.

Нужно отметить, что АДГ I и IV участвуют в обезвреживании метилового спирта, но этот процесс крайне медленный. АДГ II и III вовсе не обладают такой активностью.АДГ классов II и III участвуют в обезвреживании других спиртов и формальдегида (крайне токсичен). При этом разные органы и ткани содержат разное количество АДГ. Головной мозг содержит только АДГ III, который не обезвреживает ацетальдегид - мозг остается беззащитным.

Так же стоит сказать, что АДГ участвуют в выработке эндогенных нейрорегуляторов (мозговых регуляторов) и гормонов, а также их производных. Участвуют в обменных процессах образования катехоламинов (природные физиологически активные вещества, так называемые гормоны стресса, регуляторы нервной системы), серотонина (нарушение обмена серотонина - одна из причин развития шизофрении), холестерина, желчи, половых гормонов. АДГ играет ведущую роль по обезвреживанию ксенобиотиков (чужеродные для живых организмов химические вещества, естественно не входящие в биотический круговорот, и, как правило, прямо или косвенно порождённые хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся: пестициды, минеральные удобрения, моющие средства (детергенты), радионуклиды, синтетические красители,полиароматические углеводороды и др). Эти функции АДГ далеко выходят за рамки метаболизма алкоголей. Как для фундаментальных, так и для медицинских исследований направлены на поиск специфических АДГ, которые можно использовать для изучения у разных живых организмов, в том числе у человека. Найдены ряд веществ, влияющих на активность АДГ. Естественно, наиболее широко они исследованы в отношении окисляющих этанол АДГ I и IV.

В живом организме есть ферменты похожие по функциям на АДГ и принципиально отличаются по структуре (химическому строению). Их называют короткоцепочечные оксидоредуктазы или КЦОР -- это ферменты участвующие в дыхании клеток и их энергетическом обмене -- сжигании органического топлива для клеток, обезвреживание ряда веществ. образуются в организме при помощи особых генов. Они участвуют в химических превращениях женских и мужских половых гормонов. Реакции контролируемые КЦОР пока малоизучены. Однако, накопленные данные позволяют говорить о ведущей роли именно АДГ в реакциях превращения различных отравляющих и ядовитых веществ включая разнообразные спирты и собственно этанол.

2. УЧАСТИЕ АДГ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ БИОХИМИЧЕСКИХ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

В нашем организме АДГ (табл. 2) участвует во многих химических реакциях.

Мы остановимся на тех, в которых АДГ занимают ключевые позиции. К ним относится, прежде всего, окисление (превращение) ретинола (витамина А - способствует нормальному обмену веществ, росту и развитию организма и др.) в ретиналь (ближайший предшественник ретиноевой кислоты). Главным центром синтезом ретиналя признаны надпочечники, где АДГ I и, в особенности, АДГ IV проявляют высокую активность. Также ретиналь будет образовываться в сетчатке глаза и в подкожной клетчатке. При этом окисление свободного ретинола происходит при помощи АДГ во внутриклеточной жидкости, а связанный с белками ретинол -- в митохондриях при помощи КЦОР. Установлено также важное значение АДГ IV и АДГ I на ранних стадиях развития надпочечников у зародыша после оплодотворения.

В поддержании оптимального уровня нейромедиаторов (биологически активных химических веществ, посредством которых осуществляется передача электрического импульса от отростка одной нервной клетки на другую нервную клетку), важную роль выполняют ферменты, осуществляющие образование и разрушение нейромедиаторов.

Далее описывается пути превращения части нейромедиаторов, которые влияют на психические процессы в головном мозге. В норме 5-гидроксииндол-3-ацетальдегида образуется из серотонина (серотонин -- важное влияет на работу мозга и др. функции). Под действием АДГ I, образуется 5-гидрокситриптофол, выводящийся с мочой. Уменьшение образования 5-гидрокситриптофола будет снижать влечение к алкоголю, формировать к нему отвращение. Сходная ситуация выявлена и в отношение превращений норадреналина и дофамина (это ещё два очень важных нейромедиатора, необходимых для работы нервной системы). Чтобы нервная система работала хорошо (которая регулирует работу всего организма), эти нейромедиаторы должны образовываться в достаточном количестве и быстро разрушаться, после передачи нервного импульса. В процессе разрушения норадреналина, поступающего в кровь и тканевые жидкости, образуется 3,4-диоксифенилгликоль, при участии АДГ II.

Заслуживают внимания также данные о способности АДГ участвовать в реакциях превращения г-аминомасляной кислоты(которая отвечает за процессы торможения в нервной системе -- чтобы не было перенапряжения) в г-оксимасляную кислоту, которая сама является нейромедиатором и антиоксидантом (стабилизирует оболочки клеток, уничтожает (связывает) свободный кислород и перекиси).

Способность АДГ I управлять процессами превращения гормональных гидроксистероидов (гормоны, регулирующие обменные процессы, в том числе и половые гормоны) не вызывает сомнений. Однако открытие многочисленного семейства КЦОР, не позволяет пока вполне объективно оценить значимость АДГ в этой области превращений биорегуляторов. Многие КЦОР оказались достаточно специфичными регуляторами превращений половых гормонов.

Подобная картина складывается и в образовании и биотрансформации холестерина, щ-оксижирных кислот и простагландинов, где пока трудно дифференцировать роли АДГ и КЦОР.

Весьма сложной и противоречивой представляется роль АДГ в системах детоксикации (обезвреживании) ксенобиотиков (химических ядов созданных человеком). Выше упоминалось уже, что АДГ I и АДГ IV служат обезвреживанию эндогенного (внутреннего) ацетальдегида в условиях, когда существенные количества этанола не поступают извне (не употребляет алкоголь) и, наоборот, генерируют повреждающие организм количества ацетальдегида при алкоголизме. Ещё более противоречивой эта же ситуация оказывается в аспекте влияния на влечение к этанолу, ибо ацетальдегид является важным фактором, способным снижать это влечение. (С одной стороны сам ацетальдегид может разрушать организм, но он сам способствует снижению влечения к алкоголю). Частично эти противоречия смягчаются, но не преодолеваются полностью, если оценивать активность АДГ I, АДГ IV к активности АцДГ. При повышении содержания этанола (человек выпил) АДГ I и АДГ I усиленно синтезируют ацетальдегид, который, в свою очередь, обезвреживается действием АцДГ. Способность АДГ регулировать обменные процессы нейромедиаторов, может приводить к негативной роли и способствовать влечению к этанолу, если АДГ увеличивает свою активность (например -- принял алкоголь).

Окисление (обезвреживание) метанола с участием АДГ I ведет к образованию высокотоксичного формальдегида, хотя и протекает значительно медленнее, чем окисление этанола. При поступлении большого количества метанола извне образуется сразу много формальдегида, который не успевает обезвреживать АДГ III в глютатионзависимой реакции.

Поэтому, введение внутривенно этанола замедлит окисление метилового спирта АДГ I, и даст возможность АДГ III справиться с формальдегидом раньше, чем умрёт человек от отравления формальдегида. На этом основан своеобразный путь облегчения отравлений метанолом посредством введения значительных количеств этанола.

Роль АДГ в превращениях экзогенных гликолей (химических промышленных ядов) также не может рассматриваться как детоксицирущая (обезвреживающая) (АДГ при таких отравлениях запускает токсические реакции, которые могут убить человека, поэтому надо часть АДГ делать другую работу -- например окислять этиловый спирт). При поступлении значительных количеств этиленгликоля происходит его окисление до соответствующего альдегида и далее до щавелевой кислоты, обладающей выраженной токсичностью. Один из путей подавления этого процесса состоит в отвлечении АДГ посредством введения при отравлениях этиленгликолем существенных количеств этанола.

Описанные реакции подчёркивают, что АДГ III, окисляющий формальдегид, работает медленнее, чем АДГ I и АДГ IV окисляют метиловый спирт до формальдегида.

Участие АДГ I и АДГ IV в превращениях щ-оксижирных кислот связано с обезвреживанием продуктов перекисного окисления липидо (связывание вредного свободного кислорода и перекисей внутри клеток).

Постоянно растет перечень ксенобиотиков (промышленных ядов), в связывании и обезвреживании которых АДГ принадлежит важная роль. Целое семейство канцерогенных аминоазокрасителей связываются АДГ I с высоким уровнем афинности (химического сродства, способности взаимодействовать друг с другом). Важная группа токсических соединений бензина, сигаретного дыма и продуктов, выделяющихся при производстве резины, также обезвреживаются с участием АДГ. При этом следует отметить главные органные барьеры, где АДГ I, АДГ III и АДГ IV осуществляют эти функции, - слизистая оболочка желудка, печень и кожа.

Детоксицирующие (обезвреживающие) функции в отношении гликолей, как уже упоминалось, осуществляет АДГ II.

Таким образом, интегральные биохимические и физиологические функции АДГ входят в число ключевых для ряда систем организма млекопитающих. Все изложенное позволяет понять смысл полиморфности (многообразия,и вариабельности) и очень широкого распространения АДГ в органах и тканях, а также некоторые особенности эволюции этого семейства энзимов (ферментов).

3. РОЛЬ АДГ В МЕХАНИЗМАХ ВЛЕЧЕНИЯ К ЭТАНОЛУ

Роль АДГ в механизмах влечения к алкоголю представлялась в конце 80-х годов достаточно очевидной. Повышенная активность АДГ I и сниженная активность АцДГ, как уже отмечено выше, характерны для популяций людей, у которых быстро возникает аверсивный синдром (отвращение к алкоголю), ограничивающий первичное потребление спиртных напитков. Сильными аверсивными факторами оказались ингибиторы ацетальдегиддегидрогеназы (АцДГ) - оказались синтезированные лекарственные формы, такие как тетурам, цианамид и др., занявшие определённое место в терапии (лечении) алкоголизма. Таким образом, роль АДГ I в алкогольной мотивации казалась достаточно определённой в качестве одного из факторов, генерирующих ацетальдегид при повышенных концентрациях этанола. Постепенно, однако, появились данные, указывающие на гораздо более сложную роль АДГ I. Главным фактором, противоречащим «ацетальдегидному» механизму, оказалось снижение влечения к этанолу как при активной, так и пассивной иммунизации к АДГ I. Иными словами, механизмы, которые могут влиять на отвращение к алкоголю, не ограничиваются только активностью ферментов АДГ. На сегодняшний день доказан действие иммунной системы, которая также влияет на этот процесс. При этом человек может сформировать этот иммунитет, допустим, при помощи прививок.

Использование иммунологических методов представляет особый интерес, так как они открывают возможность весьма длительного изменения активности АДГ при незначительном числе воздействий на экспериментальное животное . Длительность эффектов при первичной активной иммунизации измеряется месяцами, а после реиммунизации - годами. В этом состоит очевидное преимущество перед использованием фармакологических ингибиторов (например, пиразола), которые приходится вводить ежедневно - две прививки на несколько лет. Вместе с тем, очевидны и трудности иммунологического подхода. Слишком интенсивная индукция (активация) аутоантител к АДГ может вызвать значительную патологию - аутоиммунную болезнь (когда сама иммунная система начинает разрушать собственный организм). Поэтому необходима отработка режима иммунизации, не вызывающего столь значительного снижения активности АДГ, которое может глубоко нарушить функции ряда описанных выше интегральных систем организма. Для разработки таких вакцин (прививок) специально подбираются ферменты АДГ, которые будут не одинаковы, и в тоже время близки по строению. В эксперименте на белых крысах была избрана АДГ I лошади. Различия в первичной структуре АДГ лошади и крысы близки к 20%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Алкогольдегидрогеназа и ее значение в формировании так называемого аверсивного поведения, выраженного в негативной реакции на прием алкоголя -- тема недостаточно изученная, но пользующаяся вниманием ученых. Связано это как минимум с тремя причинами.

Во-первых, решение вопроса о том, почему у некоторых народностей отмечается непереносимость алкоголя и каким образом этот факт связан с образованием тех или иных изомеров алкогольдегидрогеназы в организмах представителей этих народностей, позволит найти оптимальный путь лечения алкоголизма.

Во-вторых, определенную ясность должно внести решение такого вопроса, как присутствие небольших доз этанола в организме человека -- и при этом алкогольная зависимость или, наоборот, резкое аверсивное поведение не обязательно разовьются у человека.

И, наконец, алкогольдегидрогеназа как полифермент, может быть использована в качестве средства регуляции многих физико-биохимических процессов в человеческом организме.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия -- М.: Медицина, 1998.

2. Ван Дерберг Карен, Бувальда Виктор - Учебное пособие по наркологии для преподавателей медицинских институтов

3. Ингерлейб Михаил - Полный справочник анализов и исследований в медицине

4. Карпищенко А.И. - Медицинская лабораторная диагностика (программы и алгоритмы). Справочник, 2001 г.

5. Назаренко Г.И., Кишкун А.А. -Клиническая оценка результатов лабораторных исследований - Учебное пособие

6. Покровский В.М. , Коротько Г.Ф. - Физиология человека

7. Попова Т.Н., Рахманова Т.И., Попов С.С. Медицинская энзимология

8. Семендяева М.Е. и др., 1981

9. Яковлева Г.Е. Ферменты в клинической биохимии

Размещено на Allbest.ru