II. Алкогольдегидрогеназы и катализируемые ими реакции
АДГ у млекопитающих - это сложная молекула, состоящая из двух попроще, которые могут запускать взаимообратимые реакции. Молекулы АДГ будут себя вести себя 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 разделили АДГ 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 – α, β и γ. Они в свою очередь делятся на варианты α, β1, β2, β3, γ1 и γ2 (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 — π, χ и σ, 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 [2]. Такая двойственность роли АДГ I и IV еще более усиливается тем фактом, что по крайней мере одна из производных АДГ I (γγ) способен запускать реакцию в разные стороны, в результате которой возможно окисление (превращение) ацетальдегида до ацетата [3, 4] 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.