乙醇脫氫酶（Alcohol delydrogenase，簡稱 抗利尿激素），系統(tǒng)名為：乙醇輔酶 I 氧化還原酶（alcohol：NAD＋oxidoreductase），是一種含鋅金屬酶。
乙醇脫氫酶可以快速將乙醇轉(zhuǎn)化為乙醛，一喝酒就會臉紅的人，說明體內(nèi)含有這種酶，通過增強(qiáng)乙醇脫氫酶和乙醛脫氫酶的活性，加速乙醇以及其代謝物的代謝速率，降低血清乙醇濃度，可達(dá)到解酒的目的。乙醇脫氫酶還可催化乙醇氧化生成乙醛，乙醛在體內(nèi)進(jìn)一步氧化成乙酸，并氧化成乙酰輔酶A，或經(jīng)三羧酸循環(huán)徹底氧化供能，或作為某些物質(zhì)（如脂酸膽固醇等）的合成原料。
乙醇脫氫酶在人體內(nèi)，除肝臟含量豐富外，其他組織如視網(wǎng)膜、胃、小腸黏膜及腎含量甚微，多數(shù)器官如心、胰、骨骼肌及紅細(xì)胞等均不含此酶。肝內(nèi)ADH主要位于細(xì)胞液（占80％－90％），少量位于微粒體（3％－12％）和線立體（4％－6％），95％分布于肝小葉中心區(qū)。
簡介
乙醇脫氫酶（乙醇 dehydrogenase，簡稱ADH）的系統(tǒng)名為：乙醇：輔酶I氧化還原酶（alcohol：NAD+ oxidoreductase），大量存在于人和動物肝臟、植物及微生物細(xì)胞之中，是一種含鋅金屬酶，具有廣泛的底物特異性。乙醇脫氫酶夠以煙胺腺嘌呤二核酸(NAD)為輔酶，催化伯醇和醛之間的可逆反應(yīng)：CH3CH2OH+ NAD+→ CH3CHO +NADH+ H+。在人和哺乳綱體內(nèi)，乙醇脫氫酶與乙醛脫氫酶(ALDH)構(gòu)成了乙醇脫氫酶系，參與體內(nèi)乙醇代謝，是人和動物體內(nèi)重要的代謝酶。作為生物體內(nèi)主要短鏈醇代謝的關(guān)鍵酶，它在很多生理過程中起著重要作用。它是一種廣泛專一性的含鋅金屬酶。乙醇脫氫酶乙醇氧化體系是在肝臟中代謝乙醇的一條主要途徑。乙醇脫氫酶氧化體系包括醇脫氫酶(ADH)和醛脫氫酶(ALDH)。
演化發(fā)現(xiàn)
演化
生物遺傳的許多證據(jù)表明，谷胱甘肽甲醛脫氫酶與ADH3一樣，可能是整個乙醇脫氫酶家族的祖先。早在進(jìn)化時，有效消除內(nèi)源性和外源性甲醛的方法就很重要，并且這種能力已經(jīng)通過時間保留在了ADH3中。由于基因的一系列突變，ADH3的重復(fù)基因演變?yōu)槠渌囊掖济摎涿浮?jù)認(rèn)為，在酵母中發(fā)現(xiàn)了將糖類轉(zhuǎn)化為酒精的的能力，酵母細(xì)胞可以通過產(chǎn)生高濃度的酒精，使其他生物體中毒，以有效地消除它們的競爭。由于腐爛的水果可以包含超過4%的乙醇，動物吃水果需要一個系統(tǒng)來代謝外源乙醇。這可以解釋為什么其他物種比酵母更需要乙醇脫氫酶抗利尿激素。
發(fā)現(xiàn)
首次分離出乙醇脫氫酶（ADH）是在1937年，是從釀酒酵母（面包酵母）中純化得到的。Hugo Theorell和他的同事研究了馬肝臟中乙醇脫氫酶催化機(jī)理的很多方面。乙醇脫氫酶還是首先測定了氨基酸序列以及蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的寡聚酶之一。在1960年初，在果蠅屬果蠅中也發(fā)現(xiàn)了乙醇脫氫酶。
性質(zhì)
乙醇脫氫酶是一個質(zhì)量為80kDa的二聚體，包括一組同工酶，這些同工酶都能夠?qū)⒁掖嫁D(zhuǎn)化為乙醛。在哺乳綱中，這是一個涉及輔酶輔酶I（NAD+）的氧化還原反應(yīng)。乙醇脫氫酶負(fù)責(zé)催化氧化伯醇和二級醇成為醛和酮，另外也可以影響它們的逆反應(yīng)。但是對于伯醇，這種催化作用并不強(qiáng)，而在二級醇和環(huán)醇中催化作用較強(qiáng)。乙醇脫氫酶的最適作用pH值在7.0-10.0，pH值為8.0時酶活力達(dá)到最大,pH值為7.0時酶活力較為穩(wěn)定；ADH的最適作用溫度為37℃，溫度為30-40℃時酶活力較穩(wěn)定，溫度超過45℃后酶活力急劇下降。
乙醇氧化
作用機(jī)制
結(jié)合輔酶NAD+→通過鋅結(jié)合乙醇底物→His-51的去質(zhì)子化→煙酰胺核糖的去質(zhì)子化→Ser-48的去質(zhì)子化→乙醇的去質(zhì)子化→氫化物從醇鹽離子轉(zhuǎn)移至NAD+,使NADH和鋅結(jié)合醛或→釋放產(chǎn)物醛。這些步驟是基于動力學(xué)的研究得出，在酵母和細(xì)菌中，以上步驟剛好相反。
亞基
底物與鋅和乙醇脫氫酶配位，每個亞基有兩個鋅原子。其中一個是參與催化的活性位點(diǎn)，配體是Cys-46, Cys-174,His-67和一個水分子。另一亞基則涉及結(jié)構(gòu)。在這種機(jī)制下，氫化物從乙醇到達(dá)NAD +。晶體結(jié)構(gòu)表明，His-51去掉了煙酰胺核糖的質(zhì)子，而正是煙酰胺核糖去掉了Ser-48的質(zhì)子。最后，Ser- 48使乙醇去質(zhì)子化，使之成為乙醛。從機(jī)械的角度來看，如果酶結(jié)合了氫化物到達(dá)NAD +的Re面時，產(chǎn)生的氫氣將被納入pro-R位置。當(dāng)氫化酶添加在Re面時，被視為A類脫氫酶。
活性部位
活性中心由一個鋅原子，His-67， Cys-174，Cys-46，Ser-48，His-51，Ile-269，VAL292，Ala-317和Phe-319構(gòu)成。鋅負(fù)責(zé)結(jié)合底物乙醇。Cys-146，Cys-174和His-67結(jié)合鋅，Phe-319，Ala-317，His-51，Ile-269和Val-292通過氫鍵與NAD+穩(wěn)定結(jié)合。His-51和Ile-269與煙酰胺與核糖醇形成氫鍵結(jié)合。Phe-319，Ala-317和Val-292與NAD+上的氨基形成氫鍵。關(guān)于結(jié)構(gòu)鋅的位點(diǎn)，哺乳綱的乙醇脫氫酶也有結(jié)構(gòu)鋅位點(diǎn)。在這里鋅離子對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用。用量子化學(xué)計(jì)算和分子動力學(xué)的經(jīng)典方法研究的馬肝醇脫氫酶（HLADH）催化和結(jié)構(gòu)鋅已經(jīng)提示了我們它的空間結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)鋅是由四個關(guān)系緊密的半胱氨酸配體（Cys97，Cys100，Cys103和Cys111）定位于鋅離子周圍近似對稱的四面體上。最近的一項(xiàng)研究表明，鋅和半胱氨酸之間的相互作用主要是通過一價的共價鍵結(jié)合。
類型
人體內(nèi)
在人類中，乙醇脫氫酶以多種二聚體的形式存在，由至少7種不同的基因編碼。乙醇脫氫酶一共具有五個類別（Class I-V），但在人的胃肝臟中存在的主要是Class I。它催化乙醇乙醛氧化作用為：CH3CH2OH+ NAD+ → CH3CHO + NADH + H+。這使得人類可以飲用含酒精的飲品，但最初其進(jìn)化的目的可能是為了分解食物或者細(xì)菌在消化道中產(chǎn)生的醇類。還有一些人認(rèn)為，其進(jìn)化的目的是參與維生素的新陳代謝過程，由于乙醇的卡路里幾乎為零，也許能夠提供少量的純凈的能量。乙醇脫氫酶也參與了其他類型醇的反應(yīng)：例如，它氧化甲醇生產(chǎn)甲醛和乙二醇，最終生成乙醇酸和草酸。人類至少有六種略有不同的乙醇脫氫酶。每個都是一個二聚體，每兩個二聚體含有兩個二價鋅離子。其中一個離子是酶與底物結(jié)合必不可少的。
乙醇脫氫酶的活性因人而異。比如年輕女性就不能夠像青年男子那樣快速地分解酒精，因?yàn)樗齻凅w內(nèi)的乙醇脫氫酶活性不如他們體內(nèi)的活性高。不過，這種情況在中年之后會出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。當(dāng)然，并不只有表達(dá)水平能影響乙醇脫氫酶的活性，同樣取決于不同人的等位基因多樣性。這些等位基因的差異性與地域有關(guān)，比如，已有的研究表明，在歐洲具有高表達(dá)活性乙醇脫氫酶基因的人數(shù)遠(yuǎn)多于亞洲以及美洲。這可能與關(guān)聯(lián)進(jìn)化有關(guān)，簡單地說由于歐洲人大多大量飲用酒精度較高的烈酒，就會自然選擇那些具有高表達(dá)活性乙醇脫氫酶基因的人。
酵母細(xì)菌
與人類不同，酵母和細(xì)菌（乳酸菌，以及某些條件下的大腸桿菌除外）不將葡萄糖發(fā)酵為乳酸，他們將葡萄糖發(fā)酵為乙醇和二氧化碳。總反應(yīng)式為：Glucose + 2 ADP + 2 Pi → 2 ethanol +2 CO2+ 2ATP+ 2H2O。在酵母和許多細(xì)菌中，乙醇脫氫酶在發(fā)酵起著重要作用：從糖酵解產(chǎn)生的丙酮酸轉(zhuǎn)化為乙醛和二氧化碳，隨后乙醛在ADHI的作用下轉(zhuǎn)化為乙醇。后一步的目的是重新產(chǎn)生NAD+，于是糖酵解的能量生成得以繼續(xù)。人類利用這一過程發(fā)明了酵母發(fā)酵工藝，使水果和谷物發(fā)酵成酒，但有趣的是，有時候酵母也會“飲用”自己產(chǎn)生的乙醇。
存在于酵母中的主要乙醇脫氫酶略大于人類的乙醇脫氫酶，它具有四個亞基而不是兩個，同時，它同樣具有鋅活性位點(diǎn)。不同于人和哺乳綱之處是酵母和細(xì)菌中的乙醇脫氫酶常常會組成一個“長鏈家族”。另外，在釀酒酵母中也存在由ADHI基因發(fā)展而來的ADHII，它的作用是將乙醇轉(zhuǎn)化回乙醛，只有當(dāng)周圍糖濃度較低時這種酶才會發(fā)揮作用，乙醛可以毒殺環(huán)境中的糖分競爭者，當(dāng)糖濃度恢復(fù)至正常水平，這種酶就不再發(fā)揮作用。
含鐵酶
與上述兩類乙醇脫氫酶無關(guān)，還有第三類乙醇脫氫酶是含有鐵離子的，它們作用不十分明顯，主要存在于某些細(xì)菌和酵母中。相對于上述兩種酶，這類酶大多對氧敏感。
其他類型
進(jìn)一步的醇脫氫酶類屬于五重酶（quinoenzymes），并且需要型輔因子結(jié)合電子，這種酶的典型例子是甲醇的甲醇細(xì)菌脫氫酶。
應(yīng)用
疾病診斷
人體內(nèi)ADH主要在肝臟生成，所以肝臟疾患可能與血清ADH活性相關(guān)。用分光光度法測定血清中ADH的活性并結(jié)合臨床探討該項(xiàng)指標(biāo)在肝臟疾病的診斷上有重要意義。通過實(shí)驗(yàn)測定血清ADH活性，從而反應(yīng)出肝臟功能正常與否。通過對肝臟病人血清中ADH的測定表明，結(jié)果均顯著高于健康人參考值。
酒精濃度
日常交際生活中，人們不可避免地要接觸乙醇。酒后駕車造成的交通事故已是屢見不鮮。另外，飲酒過量可引起酒精中毒。鑒于酒后事故及酒精中毒的嚴(yán)重后果，所以迅速測定血漿中乙醇濃度，對預(yù)防事故的發(fā)生及早期診斷和處理急性酒精中毒具有非常重要的臨床價值。報道了一種新的酶終點(diǎn)法測定血漿中乙醇濃度的方法，無需去除蛋白，整個檢測過程僅需90 s，可用于自動生化分析儀及手工操作，適于臨床常規(guī)運(yùn)用。實(shí)驗(yàn)中他們選用三（羥甲基）氨基甲烷—鹽酸（Tris-HCL）作為緩沖體系，在堿性條件下，乙醇脫氫酶（ADH）催化乙醇轉(zhuǎn)化成乙醛，同時生成還原型輔酶（NADH）。在340 nm波長處檢測吸光度的變化，對照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算乙醇的濃度。
催化劑
在化學(xué)工業(yè)中，利用ADH的催化特性生產(chǎn)許多原材料及中間反應(yīng)物。在二氧化碳轉(zhuǎn)化合成甲醇的過程中，ADH就發(fā)揮了酶的催化作用。為實(shí)現(xiàn)CO2向甲醇的轉(zhuǎn)化，研究者曾嘗試了多種方法，其中酶催化法以其高效、專一及反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，近些年來備受關(guān)注，在CO2的固定和還原反應(yīng)中已有應(yīng)用。許松偉等采用甲酸脫氫酶、甲醛脫氫酶和ADH為催化劑，以NADH作為還原劑，通過三步串連反應(yīng)將CO2轉(zhuǎn)化為甲醇，探索出了CO2利用的新途徑。
臨床意義
酒精中毒
曾有研究顯示，乙醇脫氫酶可能導(dǎo)致患者對乙醇代謝依賴性的酗酒。研究人員初步檢測到一個可能與酗酒有關(guān)的幾個基因。如果這些基因變體編碼的ADH2和ADH3進(jìn)入慢代謝形式，可能會增加酗酒的風(fēng)險。該研究發(fā)現(xiàn)，突變的ADH2和ADH3與亞洲人群酗酒有關(guān)。然而，事實(shí)是否真是如此，還需要繼續(xù)深入研究。
藥物依賴
藥物依賴是關(guān)于乙醇脫氫酶的另一個問題，研究人員認(rèn)為這可能與酗酒有關(guān)。一個特別的研究表明，藥物依賴與7個乙醇脫氫酶的相關(guān)基因有關(guān)。這些結(jié)果可能有助于有針對性的治療這些特定的基因。然而，這還有待于更多的深入研究。
參考資料 >
乙醇脫氫酶.Alcohol dehydrogenase.2024-10-22