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Alkoholdehydrogenase

Ablauf der alkoholischen Gärung

Alkoholdehydrogenasen (ADH) sind Enzyme, die sowohl die Reaktion von Alkoholen zu den entsprechenden Aldehyden oder Ketonen und auch die Rückreaktion dieser (Aldehyd zu Alkohol) katalysieren. Beispiele hierfür sind der letzte Schritt der Alkoholischen Gärung durch Hefe, bei der Acetaldehyd zu Ethanolumgewandelt wird, als auch die umgekehrte Variante (Ethanol zu Acetaldehyd), die im menschlichen Körper im Rahmen des Alkoholabbaus stattfindet. Es handelt sich in jedem Fall um Redoxreaktionen. Alkoholdehydrogenasen kommen in allen Lebewesen vor.

Die katalysierten Reaktionen:

 \mathrm{R\text{-}CH(OH)\text{-}\text{-}R' + NAD^+ \rightleftharpoons\; R\text{-}CO\text{-}R' + NADH + H^+}
Sekundärer Alkohol und NAD+ werden zu Keton und NADH umgesetzt und umgekehrt
 \mathrm{R\text{-}CH_2\text{-}OH + NAD^+ \rightleftharpoons\; R\text{-}CO\text{-}H + NADH + H^+}
Primärer Alkohol und NAD+ werden zu Aldehyd und NADH umgesetzt und umgekehrt

ADH-Isoenzyme im Menschen

Im Humanstoffwechsel koexistieren mindestens fünf unterschiedliche Alkoholdehydrogenasen. Alle sind Dimere aus zwei Polypeptidketten, wobei jede Untereinheit zwei Zinkionen(Zn2+) enthält und zwischen 374 und 386 Aminosäuren lang ist. Eines dieser Ionen ist essenziell für die Funktion des Enzyms: Es ist am aktiven Zentrum lokalisiert und stabilisiert die Hydroxygruppe des Alkohols.

Klasse Mögliche Untereinheit Eigenschaften
Gen-Name UniProt OMIM
I ADH1A P07327 103700 Ethanol- und Methanoloxidation
ADH1B P00325 103720
ADH1C P00326 103730
II ADH4 P08319 103740 3,4-Dihydroxyphenylglycol- und 4-Hydroxy-3-methoxyphenylglycol-Biosynthese, sowie Benzaldehyd-Hydrogenierung (im Abbau von Adrenalin und Noradrenalin)
Retinol-Metabolismus
III ADH5 P11766 103710 Glutathion-abhängige Formaldehyd-Dehydrogenierung (EC 1.1.1.284)
IV ADH6 P28332 103735 Ethanoloxidation, Benzylalkohol
V ADH7 P40394 103700 Retinoloxidation, Ethanoloxidation (nur hohe Konzentrationen)

Klasse-I ADH

Die Alkoholdehydrogenase 1 dient im Menschen und in vielen Tieren dem Abbau von toxischen Alkoholen. Das in Magen und Leber vorhandene Enzym katalysiert hauptsächlich die Oxidation von Ethanol zu Acetaldehyd unter Beteiligung des Cofaktors Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+):

 \mathrm{C_2H_{5}OH + NAD^+ \rightleftharpoons\; C_2H_4O + NADH + H^+}
Ethanol und NAD+ werden zu Acetaldehyd und NADH umgesetzt und umgekehrt

Im menschlichen Körper kommt ADH1 vor allem in der Leber, aber auch im Magen vor. Ethanol aus alkoholischen Getränken wird wieder in Acetaldehyd (auch Ethanal genannt) umgewandelt, anschließend durch Acetaldehyddehydrogenase in Essigsäure und dann durch den Citratzyklus in Wasser und Kohlenstoffdioxid. Für das Einschleusen in den Citratzyklus ist das Enzym Acetyl-CoA-Synthetase notwendig, welches unter ATP-Verbrauch Acetyl-CoA bildet.

Die Menge des ADH1-Enzyms im Körper ist von Person zu Person unterschiedlich und bestimmt, wie schnell der getrunkene Alkohol im Körper abgebaut wird. Wie viel Alkohol ein Mensch verträgt (im Sinne von „Trinkfestigkeit“) ist von vielen Faktoren abhängig, z.B. der Gewohnheit, mit einem hohen Alkoholgehalt umzugehen. Im Allgemeinen haben Ostasiaten, indigene Völker Amerikas und Aborigines Australiens eher geringe Mengen ADH im Körper, und Frauen weniger als Männer.

Alkoholdehydrogenase 1 ist verantwortlich für die Toxizität von anderen Alkoholen: zum Beispiel oxidiert sie Methanol zu dem wesentlich giftigeren Produkt Methanal (Formaldehyd), und Ethylenglycol zu Glycol- und Oxalsäure. Die konventionelle Behandlung dieser Art von Vergiftungen besteht in der Applikation von Ethanol (Kompetitive Hemmung der ADH1 durch Ethanol), der bevorzugt in der Leber umgesetzt wird. Solange der Ethanolabbau stattfindet, wird das Methanol durch die Nieren ausgeschieden. Somit tritt keine Vergiftung des Körpers durch das Methanal auf. Außerdem existiert mit Fomepizole (4-Methylpyrazol) die Möglichkeit ADH1 kompetitiv zu hemmen. Ein weiterer Inhibitor ist 2-Fluorethanol. Außerdem hemmen alle Rheumamittel/Schmerzmittel vom Typ der Nichtsteroidales Antirheumatikum (NSAR) die ADH mehr oder minder stark.

Funktionen

In Hefen und vielen Bakterien spielt die Alkoholdehydrogenase eine wichtige Rolle in der Gärung (vgl. Abbildung):

Pyruvat aus der Glykolyse wird in Acetaldehyd und Kohlenstoffdioxid umgesetzt, was eine Pyruvatdecarboxylase (EC 4.1.1.1) katalysiert. Anschließend wird der Aldehyd durch die ADH unter Verbrauch von NADH zu Ethanol reduziert. Auf diese Weise wird für die Glykolyse benötigtes NAD+ regeneriert. ADH aus Hefe ist größer als die menschliche und besteht aus vier Untereinheiten. Ihr aktives Zentrum besitzt Zink als Metallion. Dennoch sind die Enzyme aus Pilz und Mensch nahe verwandt.

In Insekten wie der Fruchtfliege kommt eine der menschlichen nicht verwandte Alkoholdehydrogenase vor, an die kein Metallion gebunden ist.

Eine dritte Klasse der Alkoholdehydrogenasen enthält Eisen als Zentralion. Diese existieren in Bakterien, und eine (anscheinend inaktive) Form wurde in Hefe gefunden.

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Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 11.12. 2020