Метаболизм экзогенного этанола

Всасывание этанола начинается в ротовой полости и пищеводе. Примерно 20% этанола всасывается в желудке и 80% - в двенадцатиперстной кишке. Из крови этанол путем пассивной диффузии быстро проникает во все органы и ткани, преимущественно концентрируясь в ткани головного мозга, где его концентрация всегда превышает содержание в крови, а также в секрете простаты, в яичках, сперме.

Этанол может выводится в неизменном виде легкими, почками, молочными и потовыми железами, с калом, а также подвергается биотрансформации в организме. Метаболизм этанола осуществляется на 90% в печени и включает три механизма:

- Окисление под действием алкогольдегидрогеназы (АДГ)

АДГ метаболизирует примерно 12 г этанола за 1 ч. Окисление этанола под действием АДГ с образованием уксусного альдегида (ацетальдегида) осуществляется в цитозоле гепатоцитов. Коферментом реакции является НАД⁺:

С₂Н₅ОН + НАД⁺       CH₃CHO + НАДН + Н⁺

Этот путь окисления этанола играет ключевую роль у здоровых людей. Следует отметить, что этанол обладает высокой калорийностью. При окислении в организме 100 г этанола выделяется 710 ккал (2970,64 кДж) энергии. Однако, большое количество НАДН, образующееся при окислении этанола, подавляет работу ЦТК, в результате чего активируются другие пути использования ацетил-СоА, направленные на синтез холестерола, жирных кислот и кетоновых тел. Реакция, катализируемая АДГ обратима и является скорость-лимитирующей реакцией окисления этанола.

Алкогольдегидрогеназа катализирует перенос гидрид-иона (Н^-) от группы СН₂ОН первичных спиртов различной структуры на никотинамидную часть кофермента НАД⁺:

Этот же фермент способен катализировать и обратную реакцию - восстановление альдегида до спирта.

Существуют три изоформы АДГ, различающиеся по строению протомеров, локализации и активности: АДГ₁, АДГ₂ и АДГ₃. Для европейцев характерно преобладание изоформ АДГ₁ и АДГ₃. У некоторых восточных народов преобладает изоформа АДГ₂, характеризующаяся высокой активностью, что может быть причиной их повышенной чувствительности к алкоголю. АДГ печени состоит из двух одинаковых субъединиц, каждая из которых построена из одной полипептидной цепи, содержащей 374 аминокислотных остатка и образует 2 домена. Каталитический домен, в котором локализованы все компоненты активного центра фермента, в том числе и остатки, связывающие ион Zn²⁺, участвующий в катализе, объединяет N-концевой (остатки 1-175) и С-концевой (остатки 319-374) фрагменты полипептидной цепи. Кофермент(нуклеотид)связывающий домен, сформирован центральным фрагментом (остатки 176-318). По вторичной и третичной структуре, он очень сходен с нуклеотидсвязывающими доменами других НАД-зависимых дегидрогеназ. Считается, что характерная пространственная структура нуклеотидсвязывающего домена возникла на очень ранних этапах эволюции и многократно использовалась как готовый функциональный модуль, который мог объединяться с соответствующими каталитическими центрами, образуя различные НАД-содержащие ферменты.

Контакт между субъединицами определяется преимущественно взаимодействием нуклеотидсвязывающих доменов, которые образуют "ядро" димера. При этом, β-складчатый лист одной субъединицы "стыкуется" с такой же структурой другой субъединицы, образуя протяженный β-складчатый слой. Это взаимодействие дополняется развитой сетью гидрофобных контактов, в которых участвуют порядка 30 аминокислотных остатков, что затрудняет диссоциацию димера даже в 8 М мочевине.

Аденозиндифосфатрибозный фрагмент НАД⁺ создает множество нековалентных контактов с ферментом. Остаток аденина располагается в гидрофобном кармане, 2ʹ-ОН группа аденозина образует водородную связь с карбоксильной группой Asp-223, пирофосфатная группа образует электростатическую связь с остатком гуанидина Arg-47, принадлежащего каталитическому домену. "Концевой" (т.е. ближайший к никотинамиду) остаток рибозы образует водородные связи с карбонильными группами Gly-293 и Ile-269. Множественность нековалентных связей обеспечивает точное размещение кофермента в активном центре алкогольдегидрогеназы.

Зона связывания субстрата располагается в глубоком "кармане" канала между каталитическим и нуклеотидсвязывающим доменами одной из субъединиц, однако, в нее входят отдельные аминокислотные остатки и второй субъединицы. Этот канал "выстлан" гидрофобными боковыми радикалами, что позволяет установить гидрофобные контакты с R-радикалом спирта. Важно отметить, что формирование этого канала завершается после связывания НАД⁺ и вызванного этим изменения конформации фермента. АДГ печени может связывать различные спирты - от этанола до производных бензилового спирта (С₆Н₅СН₂ОН), ω-оксикислот и даже стероидных спиртов. Наиболее важным условием является содержание гидрофобного фрагмента в структуре. Например, в связывании бензилового спирта принимают участие остатки Leu-116 и Leu-57, а также Phe-93 и Val-294. Сорбируясь, субстрат выталкивает из зоны связывания несколько молекул воды и в определенной мере стягивает прилегающую часть фермента в более компактную структуру. Это весьма небольшое изменение конформации, как полагают, играет существенную роль в катализе.

Рис. 8. Размещение субстрата в активном центре алкогольдегидрогеназы

При связывании субстрата, его гидроксильная группа сближается с ионом Zn ²⁺ и утрачивает протон, превращаясь в алкоголят. В отщеплении протона и стабилизации алкоголята участвует система водородных связей с Ser -48 и His -51.

Каталитический центр АДГ содержит ион Zn²⁺, который окружен четырьмя лигандами, расположенными в вершинах неправильного тетраэдра. Три из них принадлежат белку и образованы остатками Cys-46, Cys-174 и His-67. Четвертое координационное положение занимает кислород субстрата, а в его отсутствие - молекула воды (Рис. 8).

Гидроксильная группа остатка Ser-48 способна образовывать водородную связь с кислородом лиганда - воды или спирта. Спирт, гидрофобная цепь которого связана в гидрофобном канале фермента, ориентируется так, что его кислород устанавливает непосредственную связь с ионом Zn²⁺, вытесняя из четвертого координационного положения, находившуюся там молекулу воды (Рис. 8). Это приводит к отщеплению протона гидроксильной группы, а связь с Zn²⁺ образует алкоголят-анион спирта R-CH₂O^-:

Алкоголят-анион далее стабилизируется путем смещения электронной плотности от атома кислорода алкоголята к связи С-О, которая в конечном счете превращается в двойную, а гидрид-ион от атома углерода переносится в положение 4 никотинамидного ядра НАД⁺:

При обратной реакции, перенос гидрид-иона происходит от НАДН к углероду альдегидной группы, двойная связь которой оказывается поляризованной за счет влияния связанного с ферментом иона Zn²⁺ на атом кислорода. Такая поляризация усиливает частичный положительный заряд на атоме углерода карбонильной группы, что благоприятствует присоединению гидрид-иона.

- Микросомальное окисление

Данный тип окисления этанола протекает в микросомах клеток печени при участии цитохром Р450-зависимой микросомальной этанолокисляющей системы (МЭОС):

С₂Н₅ОН + НАДФН + Н⁺ + О₂          CH₃CHO + НАДФ⁺ + 2Н₂О

МЭОС локализована в мембранах гладкого эндоплазматического ретикулума (ЭР) гепатоцитов.

Данная система обеспечивает у здоровых людей окисление порядка 10% поступившего в организм этанола. При злоупотреблении алкоголем, а также другими спиртами или же лекарственными препаратами типа барбитуратов, роль данной системы в метаболизме данных веществ существенно возрастает. Этот путь окисления этанола осуществляется с участием изофермента цитохрома Р450 - Р450 IIE₁ (Cyp2E1). При хроническом алкоголизме, окисление этанола по данному пути ускоряется на 50-70%, за счет гипертрофии ЭР и индукции Р450 IIE₁ (Cyp2E1). Побочными продуктами этой реакции являются активные формы кислорода (АФК), ответственные за окислительное повреждение клеточных структур.

Еще одним фактором, способствующим поражению гепатоцитов при хроническом злоупотреблении алкоголем, является употребление и пищей больших количеств полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК). Микросомы играют важную роль в метаболизма ПНЖК. При избытке ПНЖК в диете или при состояниях, характеризующихся высоким уровнем свободных жирных кислот (ЖК) в крови (ожирение, сахарный диабет II типа), повышается ДНК-связывающая активность микросомального пролиферативного α-рецептора (PPAR). Это индуцирует экспрессию генов микросомальных ферментов, Cyp4A1 и Cyp4A2, что приводит к еще более активной генерации АФК и окислительному повреждению клеточных структур. Кроме того, активируется ω-окисление длинноцепочечных ЖК, опосредованное Cyp4A, с образованием токсичных дикарбоновых кислот. Этанол также является субстратом для микросомальной каталазы.

- Окисление с помощью каталазы, тканевых оксидаз и пероксидаз

Данный механизм играет второстепенную роль в процессе окисления этанола. У здоровых людей он ответственен за окисление 2-3% экзогенного этанола. Окисление протекает согласно следующему уравнению:

С₂Н₅ОН + Н₂О₂      CH₃CHO + 2Н₂О

У людей, страдающих алкоголизмом роль этого механизма окисления этанола существенно возрастает.

Суммарно, пути окисления этанола можно представить следующей схемой: