ADH, Alcohol deshidrogenasa

Autoras: Elisa García Valencia y Elena García Jiménez

La alcohol deshidrogenasa es una enzima que cataliza una reacción de óxido-reducción. Su función principal es la oxidación de alcoholes a aldehídos o cetonas a la vez que se produce la reducción del coenzima NAD(P). 

ESTRUCTURA

Esta enzima está conformada por 2 subunidades. Las diferentes formas que presenta la Alcohol Deshidrogenasa (ADH) se denominan isoenzimas e inicialmente fueron identificadas en humanos. Según se han ido descubriendo nuevas formas enzimáticas estas se han ido agrupando en clases

estructura de la ADH, 2 subunidades
(la estructura que se presenta en la imagen corresponde a la β3)
Creada a partir de PDB 1HTB
Organización de la estructura secundaria de la enzima ADH.
En naranja observamos las hélices alfa, en verde las láminas beta y, además en color azul están indicados los puentes de Hidrógeno que se establecen para estabilizar el plegamiento.
Creada a partir de PDB 1HTB

En los vertebrados el sistema de ADH es complejo, existen 8 clases, pero, en ninguna especie se han detectado todas. Centrándonos en los humanos solo se han identificado 5 clases. 
Las diferentes isoenzimas están codificadas por diferentes genes: ADH1, ADH4, ADH5, ADH6 y ADH7.  

Nombre del gen Diferencia de aminoácidos en los alelos Nombre de la proteína Km (para el etanol) Kcat  
ADH1A  α 4.0 30 
ADH1B*1 Arg48, Arg370 β1 0.05 
ADH1B*2 HIs48, Arg370 β2 0.9 350 
ADH1B*3 Arg48, Cys370 β3 40 300 
ADH1C*1 Arg272, Ile350 γ1 1.0 90 
ADH1C*2 Gln272, Val350 γ2 0.6 40 
ADH1C*352Thr Thr352    
ADH4  π 30 20 
ADH5  χ >1000 100 
ADH6     
ADH7  σ 30 1800 
FUENTE: Modificada a partir de Hurley et al. 2002. 

La ADH1 es la clase predominante en el tejido hepático, es decir se encuentra en mayor proporción en el hígado, aunque también la encontramos en otros tejidos. Es común a otros mamíferos, sobre todo roedores. Lo que es característico de esta enzima en humanos, es que hay una variedad de genes que la codifican y esto da lugar a la existencia de 3 isoenzimas.   

Los genes ADH1A, ADH1B y ADH1C codifican para las enzimas α, β y γ.  Cuyas secuencias se asemejan en un 93-94%, esto hace posible la formación de varios homo y heterodímeros.   
Es decir que dan lugar a distintas combinaciones de las 2 subunidades que conforman la proteína. 

A su vez, la enzima de clase β presenta también polimorfismo, por lo que existen 3 isoenzimas, β1, β2 y β3. Difieren entre sí debido a cambios en los aminoácidos que las codifican. Por ejemplo, en el caso de la β2, en lugar de arginina presenta histidina en la posición 48 y la β3 presenta cisteína en la posición 370.  

Según la combinación de estas subunidades las propiedades de la enzima cambian. El pH optimo se ve afectado, puesto que cuando se combinan β2 y β3, tiene un valor de 7.0 mientras que cuando se combinan dos subunidades de tipo β1, alcanza un valor de 10.5. Además, la constante de afinidad por el NAD+ y la velocidad máxima difieren entre 70 y 40 veces (Bosron WF 1986) entre homodímeros de β2 y β3 que los homodímeros formados por subunidades de β1.  

Es curioso que se ha observado la distinta distribución de los alelos ADH1B en diferentes poblaciones, siendo la β1 predominante en la población caucásica, mientras que la β2 predomina en Asia oriental y se caracteriza por su gran capacidad oxidativa; y la β3 predomina en África.  

En el gen ADH1C también existen diferentes alelos que codifican distintas isoformas de la subunidad de clase γ.   

Por un lado, la subunidad γ1 tiene arginina en la posición 272 e isoleucina en la 350, mientras que en la γ2 esa arginina es sustituida por glutamina y en lugar de isoleucina presenta valina. Una de las diferencias más significativas entre estos dos tipos de subunidades es que la velocidad máxima de γ1 es el doble que la de γ2 y, además se encuentra en el 90% de la población mundial, el alelo que la codifica, ADH1C*1, predomina en población de Asia y África, sin embargo, la frecuencia de los alelos en la raza blanca es tan solo del 50%.  

En cuanto a la distribución de los genes a nivel mundial, resulta curioso, puesto que se ha observado la distinta distribución de los alelos ADH1B en diferentes poblaciones, siendo la β1 predominante en la población caucásica, mientras que la β2 predomina en Asia oriental y se caracteriza por su gran capacidad oxidativa; y la β3 predomina en África.  

Los individuos que presentan el gen ADH1B*2, dado la gran capacidad oxidativa de la forma β2, generan acetaldehído más rápidamente que aquellos que portan el alelo normal, por lo que tienen una menor tolerancia al alcohol (la acumulación de acetaldehído provoca enrojecimiento facial, náuseas y taquicardia) y son menos propensos al alcoholismo, pero tienen mayor riesgo de sufrir daños en el hígado. Además, esta condición será más notable en individuos homocigóticos que en heterocigóticos.   

También se ha observado que el gen ADH1C*1 parece tener efectos protectores frente al alcohol en poblaciones asiáticas, pero puede deberse a que generalmente este alelo se hereda junto al ADH1B*2.  

El alelo ADH4 codifica para la subunidad π, que tiene una actividad muy elevada frente al etanol. Pero, no se suele expresar en el hígado, sin embargo, sí en las mucosas y en la glándula adrenal.  

ADH5 da lugar a la isoenzima χ que se ha localizado principalmente en tejido fetales y ha sido poco investigada. Tiene menor afinidad por el etanol. Es decir, su Km es mayor que la de la enzima codificada por ADH4.  

Tampoco se conoce mucho sobre sobre la ADH6, aunque se sabe que está presente en el hígado fetal y adulto.   

El alelo ADH7 codifica la isoenzima σ, encargada de la oxidación tanto de etanol como de retinol. Su Km tiene un valor similar a la de la isoenzima π.  

Todos estos genes se encuentran en el cromosoma 4. Sus distintas expresiones serán traducidas formando los diferentes tipos de subunidades que al combinarse dan lugar a la enzima alcohol deshidrogenasa. 

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Distribución de los genes en el brazo largo del cromosoma. Se transcriben en el sentido de las flechas. En esta representación el ADH5 es el más próximo al centrómero del cromosoma. 
Imagen creada por Elisa García y Elena García a partir de Howard J. Edenberg., 2007

FUNCIONAMIENTO

Al igual que el resto de las enzimas, la alcohol deshidrogenasa baja la energía de activación necesaria para que comience una reacción, y así esta se producirá más rápido. El sustrato se une a la enzima en su sitio activo, formando un complejo enzima-sustrato. Después de la reacción, los productos son liberados del sitio activo de la enzima, y esta estará preparada para catalizar otras reacciones, ya que no se modifica. 

La alcohol deshidrogenasa es una enzima que se encarga de catalizar la oxidación del alcohol para producir aldehído o cetona. Para esto, se utiliza la reducción de NAD+ en NADH, por lo tanto, es dependiente de este. 

Una gran variedad de alcoholes, aldehídos y cetonas, generados de forma endógena  o que llegan de manera exógena a los seres vivos, son sustratos de las ADHs, por lo que éstas están involucradas en un elevado número de vías metabólicas y procesos de interés biomédico: eliminación del etanol y otros alcoholes alifáticos, homeostasis y el metabolismo de los retinoides, eliminación de productos de la peroxidación lipídica, metabolismo de la serotonina y catecolaminas, oxidación de los ácidos grasos ω-hidroxilados, metabolismo hormonal, eliminación de formaldehído y óxido nitrico, etc.  

IMPLICACIONES BIOMÉDICAS

La cirrosis hepática es la tercera causa de muerte alrededor del mundo que es atribuible al consumo de alcohol y el consumo crónico de alcohol es la causa de 3,3 millones de muertes alrededor del mundo. El 80% al 90% de los consumidores crónicos de alcohol desarrollan hígado graso y están en riesgo de presentar complicaciones como esteatohepatitis, fibrosis, hepatitis alcohólica, cirrosis alcohólica, cirrosis caracterizada por fibrosis y distorsión de la arquitectura normal del hígado, y hepatocarcinoma. Aun así, no todas las personas con consumo crónico de alcohol desarrollan cirrosis, también debido a su componente genético. De forma aguda, el alcohol produce varios efectos fisiológicos: 

Sistema digestivo: 

  • Reducción presión basal y amplitud de sus contracciones 
  • Estimulación de la producción de gastrina y modificación de la velocidad de la velocidad de secreción gástrica 
  • Incremento de la permeabilidad intestinal 

Sistema cardiovascular: 

  • Reducción de la contractilidad cardiaca 
  • Inducción a arritmias

Sistema inmunológico 

  • Incremento en la producción y liberación de citocinas proinflamatorias 
  • Reducción velocidad metabólica 
  • Alteración flujo sanguíneo cerebral

El metabolismo del alcohol es un proceso complejo que implica absorción, distribución y eliminación. La mayor parte de este, más del 90% se metaboliza en el hígado. El grado de actividad de algunas enzimas que metabolizan el alcohol es uno de los determinantes para el desarrollo de hepatopatía terminal por la consumición de este. 

La ADH se encuentra en el citosol de los hepatocitos y cataliza la formación de acetaldehído transfiriendo el hidrógeno del grupo OH del acetaldehído al cofactor nicotinamida adenina dinucleótido (NAD) convirtiéndolo así en NADH y luego, por transhidrogenación, en NADPH. 

Durante la oxidación del acetaldehído a acetato por la enzima aldehído deshidrogenasa (ALDH) se produce un exceso de NADH que incrementa la relación NADH/NAD y tiene efectos en el metabolismo de los carbohidratos y lípidos.  

El NADH interfiere con el transporte de ácidos grasos libres (AGL) y facilita la formación de ácidos grasos esterificados: 

Los ácidos grasos estarían reaccionando con el alcohol, el cual extrae 1 hidrógeno de 1 ácido graso poliinsaturado, lo que lleva a su degradación. Sin embargo, el exceso de NADH limitaría la disponibilidad del NAD el cual es necesario para el transporte de los AGL, lo que podría ser una de las causas de la cirrosis. 

El acetato se incorpora en el ciclo de Krebs como acetil coenzima A (acetil CoA) y en caso de no transferirse al ciclo, su acumulación puede resultar en la producción de cuerpos cetónicos, ocasionando cetonemia y cetonuria. 

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Proceso del funcionamiento de la enzima Alcohol deshidrogenasa en un hepatocito.
Creada por Elisa García y Elena García a partir de Mónica Marcela Gaviria et al., 2016

La ADH también está relacionada con el uso del alcohol etílico como fármaco. 

El alcohol etílico es una molécula que inhibe la reacción de la ADH, y por ello se puede utilizar como tratamiento para evitar las intoxicaciones por otros alcoholes tóxicos. 

El alcohol etílico funciona como un inhibidor competitivo de la enzima ADH y previene la formación de metabolitos tóxicos. Este se transforma en acetato tal y como se ha podido ver en el proceso anterior. Un ejemplo de esto es su uso en la intoxicación por alcohol metílico-metanol: 

El metanol es un líquido volátil e incoloro, pero sus metabolitos son tóxicos en el humano. La toxicidad se genera como consecuencia de la oxidación del metanol a formaldehído y, posteriormente, a ácido fórmico (sustancia tóxica para el ser humano). Para evitar esta reacción, se utiliza el etanol para inhibir la actividad de la alcohol deshidrogenasa, que es la enzima que se utiliza para la formación de formaldehído a partir del metanol.

BIBLIOGRAFÍA

  1. Joaquín Ramírez Ramírez; Marcela Ayala Aceves (2014) Enzimas: ¿qué son y cómo funcionan?
  2. Olaya Acosta, Hernando Andrés; Castellanos Garzón, Rafael Gustavo; Vides Velásquez, Alberto Adolfo & Rodríguez Prada, Catalina (2020).Etiloterapia en el servicio de urgencias. Una revisión de la literatura. Universitas Medica, 61(2).
  3. Gaviria C, Mónica Marcela, Correa Arango, Gonzalo, & Navas N, María Cristina. (2016). Alcohol, cirrosis y predisposición genética. Revista colombiana de Gastroenterología31(1).
  4. Edenberg H. J. (2007). The genetics of alcohol metabolism: role of alcohol dehydrogenase and aldehyde dehydrogenase variants. Alcohol research & health : the journal of the National Institute on Alcohol Abuse and Alcoholism30(1).
  5. Martínez Rodríguez, Susana Eva (2002). Distribución de las alcohol deshidrogenasas ADH1 y ADH4 en tejidos de rata. Relevancia en el metabolismo de etanol y retinoides.
  6. Antonio Segado Soriano (2004). ANÁLISIS DE MUTACIONES GENÉTICAS DE ALCOHOL DESHIDROGENASA, ACETALDEHÍDO DESHIDROGENASA Y CITOCROMO P 450 EN PACIENTES CON HEPATOPATÍA ALCOHÓLICA.
  7. Claudia Méndez, Mauricio Rey (2015). Caracterización de polimorfismos de los genes ADH2, ADH3, ALDH2 y CYP2E1 y su relación con el alcoholismo en una población colombiana.