アルコール脱水素酵素

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ADHの分類

ADH (E.C. 1.1.1.1) は、アルコールをアルデヒドまたはケトンに可逆的に酸化することができる酸化還元酵素であり、同時にNAD +またはNADP +の還元を行います。ADHは大きな酵素群であり、少なくとも3つの異なる酵素スーパーファミリーにさらに分けることができます：中鎖 (MDR) 脱水素酵素/還元酵素、短鎖脱水素酵素/還元酵素、鉄活性化ADHです。MDRスーパーファミリーは350のアミノ酸残基（ダイマーまたはテトラマー）から構成されており、各サブユニットには触媒ドメインとヌクレオチドNAD +またはNADP +に結合するドメインがあります。MDRファミリーの多くの酵素は活性部位に亜鉛を含み、亜鉛を含むADHシグネチャーとして知られる配列モチーフを持っています：GHEX₂GX₅ (G, A) X₂ (I, V, A, C, S)。古典的なADHをコードする遺伝子にはADH1, ADH2, ADH3, ADH4およびADH5が含まれます。他の遺伝子にはSFA1、BDH1、BDH2、SOR1、推定SOR2、シンナミルADH、CDH1、XDH1、ADH6およびADH7が含まれます。 

局在

真核細胞の膜構造は、さまざまな生物学的機能を実行するために複雑な区画に組織されています。これらの細胞の微小環境におけるタンパク質の位置を知ることは、それらの機能や相互作用を理解するために非常に重要です。1960年代後半には、ベーカリー酵母に少なくとも3つのNAD依存性ADHが存在することが知られていました。これらの酵素のうち2つは細胞質に位置し（Adh1pおよびAdh2p）、Adh3pはミトコンドリアマトリックスに位置しています。細胞質NADHのミトコンドリア酸化のメカニズムを研究する際、Overkamp（2000）およびBakker（2000）は、ADH3が唯一のミトコンドリアADHではないという十分な証拠を得ました。Huh（2003）の研究では、Adh5pが細胞質に位置し、Adh3pに加えてAdh4pもミトコンドリア酵素であることが確認されました。現在、Adh6pおよびAdh7pの位置は不明であり、これら2つの酵素の特性に関する利用可能な情報のほとんどは、mRNAレベルでの発現モニタリングまたは過剰発現研究から得られています。

構造解決の概要

Saccharomyces cerevisiae アルコール脱水素酵素I (ADH1) は、グルコース発酵中にアセトアルデヒドをエタノールに還元する構成的酵素です。ADH1の構造は、2.4 Åの分解能でX線結晶構造解析によって決定されました。非対称単位は、ABおよびCDと呼ばれる類似のダイマーとして配置された4つの異なるサブユニットを含んでおり、これは馬の肝臓ADHに類似しています（図1）。ダイマー内の各サブユニットは、典型的なロスマン折り畳みコエンザイム結合ドメインを持ち、すなわち6本のストランドからなる平行β-折り畳みシートがあり、シートの両側に2つのヘリックスがあり、コエンザイムはカルボキシル末端に結合します。2つのコエンザイム結合ドメインの広範な相互作用は、ダイマー内に拡張されたβシートを生成します。各サブユニットには触媒ドメインもあり、そこにはアルコールが結合する亜鉛原子と、遠くのループにある遠隔構造亜鉛リングがあります。AおよびCサブユニットは「閉じた」構造を持ち、触媒亜鉛に「古典的」な配位で結合したNADおよびTFEを含み、BおよびDサブユニットは「開いた」構造を持ち、代替的な配位を持ち、コエンザイムは結合していません。単位セルは3つの生物学的分子を含み、それぞれがAB: ABおよびCD: CDサブユニットの2つの異なるテトラマーです。 

図1. 一つの非対称単位、ABダイマー、および背中合わせの配置の生物学的AB:ABテトラマーの立体視 (Raj, S.B.; et al. 2014)

亜鉛含量と配位

酵母ADH1の結晶構造内の各サブユニットは「触媒」亜鉛と「構造」亜鉛を含み、その機能は現在不明です。酵母ADH1内の亜鉛原子の数を決定するための生化学的実験は異なる結果を生じましたが、結晶学は明確に各サブユニットに2つの亜鉛が存在し、これらの亜鉛は四面体配位に存在することを示しました。閉じた構造では、各非対称ダイマー内の1つのサブユニット（AまたはC）が、Cys-43、His-66、Cys-153およびTFEの酸素とともに触媒亜鉛に「古典的」な方法でNADおよびTFEを結合します。開いた構造では、他のサブユニット（BまたはD）が、Cys-43、His-66、Glu-67およびCys-153とともにTFEの酸素を第二の球で配位します。サブユニットAとBの触媒ドメインの重ね合わせは、亜鉛がGlu-67から約2.6 Å移動すると、亜鉛の配位が逆転し、亜鉛リガンドのわずかな動きが伴うことを示しています。ヒトADH3の構造は、コエンザイム結合後および基質結合前のメカニズムの中間体を示すことができます。明らかに、代替的な配位は一般的であり、活性部位の亜鉛配位は柔軟であるため、科学者たちは、亜鉛結合水の代わりにアルコールまたはアルデヒドを使用するメカニズムを提案しています。

図2. 触媒亜鉛の2つの異なるタイプの配位 (Raj, S.B.; et al. 2014)

特性

アルコール脱水素酵素は、エタノールをアセトアルデヒドに変換できる80kDaの質量を持つダイマーであり、アイソザイムのセットを含みます。哺乳類では、これはコエンザイムニコチンアミドアデニンジヌクレオチド (NAD+) を含む酸化還元反応です。アルコール脱水素酵素は、一次および二次アルコールをアルデヒドおよびケトンに酸化する触媒反応を担当し、逆反応にも影響を与えることができます。しかし、一次アルコールに対しては、この触媒効果は強くなく、二次アルコールおよび環状アルコールに対しては、触媒効果が強いです。アルコール脱水素酵素の最適pH値は7.0-10.0であり、pH値が8.0のときに酵素活性が最大に達し、pH値が7.0のときに酵素活性は比較的安定です；ADHの最適温度は37℃であり、温度が30-40℃のときに酵素活性は比較的安定であり、温度が45℃を超えると酵素活性は急激に低下します。

応用

• 疾病診断

ヒトの体内のADHは主に肝臓で生成されるため、肝疾患は血清ADH活性に関連している可能性があります。血清中のADH活性を測定するために分光光度法を使用し、この指標の臨床的探査は肝疾患の診断において非常に重要です。

• アルコール濃度

日常の社会生活において、人々は避けられないほどアルコールにさらされています。飲酒運転による交通事故は珍しくありません。また、過度の飲酒はアルコール依存症を引き起こす可能性があります。飲酒事故やアルコール依存症の深刻な結果を考慮すると、血漿中のエタノール濃度を迅速に測定することは、事故の防止や急性アルコール依存症の早期診断および治療において非常に重要な臨床的価値があります。

• 触媒

化学産業において、ADHの触媒特性は多くの原材料や中間反応物の生産に利用されています。二酸化炭素をメタノールに変換する過程で、ADHは酵素触媒の役割を果たします。

臨床的意義

• アルコール依存症

研究によると、アルコール脱水素酵素は患者にアルコール依存症を引き起こす可能性があります。研究者たちは、アルコール依存症に関連する可能性のあるいくつかの遺伝子を最初に検出しました。これらの遺伝子変異によってコードされるADH2およびADH3が遅い代謝型に入ると、アルコール乱用のリスクが高まる可能性があります。研究では、変異ADH2およびADH3がアジア人集団におけるアルコール乱用に関連していることがわかりました。しかし、これが本当にそうであるかどうかはさらなる研究が必要です。

• 薬物依存

薬物依存はアルコール脱水素酵素に関連する別の問題であり、研究者たちはこれがアルコール依存症に関連している可能性があると考えています。特別な研究では、薬物依存が7つのアルコール脱水素酵素関連遺伝子に関連していることが示されました。これらの結果は、これらの特定の遺伝子の標的治療に役立つ可能性があります。しかし、これにはより深い研究が必要です。