Олег сейчас работает над статьей И. П. АШМАРИНА: (Скачать статью в pdf)
"АЛКОГОЛЬДЕГИДРОГЕНАЗА МЛЕКОПИТАЮЩИХ — ОБЪЕКТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МЕДИЦИНЫ" с тем, чтобы сделать ее доступной для понимания обывателя и я публикую часть проделанной Олегом работы здесь:
Итак, статья автора И. П. АШМАРИНА: "АЛКОГОЛЬДЕГИДРОГЕНАЗА МЛЕКОПИТАЮЩИХ — ОБЪЕКТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МЕДИЦИНЫ", 2003 год.
Скачать статью...
1. Введение.
В начале статьи автор отмечает что объединение различных специалистов может помочь разобраться в таких сложных процессах, как работа в организме алкогольдегидрогеназы (АДГ). Причинами для исследования послужили медицинские и социальные проблемы – все возрастающее распространение алкоголизма во многих регионах мира.
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 ω 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.
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 трех 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 употребялет 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 колличество 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 чужероднное 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.
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.
III. УЧАСТИЕ АДГ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ БИОХИМИЧЕСКИХ
И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
В нашем организме АДГ 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 [9]. 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 [24, 25, 26] (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 [25].
Заслуживают внимания также данные о способности АДГ участвовать в реакциях превращения γ-аминомасляной кислоты(которая отвечает за процессы торможения в нервной системе — чтобы не было перенапряжения) в γ-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 [29]. 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 [17].
Подобная картина складывается и в образовании и биотрансформации холестерина, ω-оксижирных кислот и простагландинов, где пока трудно дифференцировать роли АДГ и КЦОР [20].
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 (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 подчеркивают, 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 ω-оксижирных кислот связано с обезвреживанием продуктов перекисного окисления липидов [35] (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) [6]. Важная группа токсических соединений бензина, сигаретного дыма и продуктов, выделяющихся при производстве резины, также обезвреживаются с участием АДГ [19]. 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).
(продолжение следует...)