jak maleńka cząsteczka, taka jak etanol, może być źródłem tak wielu ludzkich nieszczęść?
tutaj proponujemy dotrzeć do sedna chemicznych konsekwencji nocy świętowania do nadmiaru.
2.1 metabolizm etanolu
Etanol (CH3CH2OH) utlenia się w wątrobie do aldehydu octowego (CH3CHO, etanal), który w drugim etapie utlenia się dalej do kwasu octowego (CH3COOH, kwas etanowy) (Fig. 2). Kwas octowy jest ostatecznie rozkładany na dwutlenek węgla i wodę w cyklu kwasu cytrynowego .
w procesie tym Etanol dostarcza znaczną ilość energii: 450 kcal/100 g, Wartość między glukozą (400 kcal/100 g) a tłuszczem (930 kcal/100 g). W związku z tym napoje alkoholowe muszą być klasyfikowane wśród środków spożywczych.
Rysunek 2. Metabolizm etanolu w organizmie.
Etanol ⇒ aldehyd octowy
w pierwszym etapie Etanol utlenia się w komórkach wątroby do aldehydu octowego, z NAD+ (dinukleotydem nikotynamidoadeninowym) jako środkiem utleniającym. Reakcja ta jest katalizowana przez enzymy dehydrogenazy alkoholowej (ADH), z których organizm ludzki ma wiele dostępnych. Wszystkie są strukturalnie bardzo podobne i zawsze składają się z dwóch podjednostek, z których każda zawiera 374 aminokwasy. Podjednostki α-, β – i γ odpowiednie do utleniania etanolu są kodowane w trzech genach w naszym chromosomie 4 i mogą być łączone do woli z dowolnym z sześciu dimerów ADH (αα, ββ, γγ, αβ, αγ, βγ). Aktywność katalityczna różnych kombinacji różni się tylko nieznacznie.
ponadto istnieją różne odmiany podjednostek β i γ. ADH zawierający podjednostki β1-powszechne wśród Europejczyków-utlenia ok. 110 mg etanolu na godzinę i kg masy ciała, podczas gdy wersja β2, bardziej powszechna wśród Azjatów, jest znacznie bardziej aktywna katalitycznie, przy 130 mg / kg / h.
przewlekłe niewłaściwe użycie alkoholu powoduje regulację wysokiego poziomu w komórkach wątroby normalnie podrzędnego mechanizmu utleniania etanolu: mikrosomalnego systemu utleniania etanolu (MEOS). W tym przypadku w zwiększonym stopniu syntetyzowana jest specjalna monooksygenaza cytochromu P450, która z kolei metabolizuje Etanol niezależnie od ADH. W sekwencji reakcji MEOS etanol jest utleniany bezpośrednio przez tlen cząsteczkowy, tzn. w mitochondriach nie ma energetycznego sprzężenia z łańcuchem oddechowym. Energia uwalniana przez meos utlenianie etanolu jest po prostu odrzucana w postaci ciepła i — w przeciwieństwie do „normalnego” metabolizmu ADH — nie jest magazynowana chemicznie.
Wykazano to imponująco u ludzi: w kontrolowanym badaniu normalne dzienne spożycie kalorii zostało podwojone z dodatkową ilością etanolu lub czekolady. Wynik: stosując Etanol, masa ciała po dwóch tygodniach pozostała niezmieniona, ale zjadacze czekolady zyskali 3 kg .
aldehyd ⇒ kwas octowy
dwie dehydrogenazy aldehydowe (ALDHs) są gotowe do dalszego utleniania etanolu. Szybkie utlenianie jest również ważne, ponieważ aldehyd octowy jest toksyczny. ALDH spełniają swoje zadanie w przykładowy sposób: toksyczny aldehyd octowy utlenia się do nieszkodliwego kwasu octowego wzdłuż dwóch dróg: mała frakcja utlenia się w komórkach wątroby w cytozolu przez dehydrogenazę aldehydową ALDH1, podczas gdy główna frakcja utlenia się w mitochondriach przez ALDH2.
w utlenianiu zarówno alkoholu, jak i aldehydu octowego, nad+ (dinukleotyd nikotynamidowo-adeninowy) jest faktycznym środkiem utleniającym. Stężenie aldehydu octowego we krwi na ogół pozostaje poniżej 2 µmol/L, w porównaniu z typowym stężeniem etanolu wynoszącym 5 mmol / l.
Rysunek 3. Wewnątrzkomórkowy metabolizm etanolu.
każdy ALDH składa się z czterech identycznych podjednostek, każda z 500 aminokwasami, które w przypadku ALDH1 — znajdującego się w cytozolu — zlokalizowane są na chromosomie 9, podczas gdy ALDH2 z mitochondriów zlokalizowane jest na chromosomie 12. Zgodność sekwencji pomiędzy dwoma ALDH wynosi tylko 68 %, a ich działanie katalityczne różni się odpowiednio: ALDH2 z mitochondriów jest znacznie bardziej aktywny niż ALDH1 z cytozolu (Fig. 3).
niezwykła wrażliwość na alkohol wykazywana przez część populacji świata, szczególnie tych z Azji, jest spowodowana zmienionym ALDH2. W przeciwieństwie do Europejczyków i Afrykanów, 44% Japończyków (Tab. 1) mają wariant enzymu ALDH2 w mitochondriach ich komórek wątroby. Modyfikacja ta nosi oznaczenie ALDH2*, gdzie kwas glutaminowy w pozycji 487 został zastąpiony przez lizynę . Mutacja jest katalitycznie nieaktywna, a osoby z ALDH2* są w stanie metabolizować aldehyd octowy tylko powoli, stosując mniej aktywną drogę ALDH1.
konsekwencja: w ciągu kilku minut od spożycia etanolu ich stężenie aldehydu octowego we krwi dramatycznie wzrasta. Podczas gdy dla Europejskiego (ALDH2) o zawartości alkoholu we krwi 0,5 ‰ poziom aldehydu octowego we krwi pozostaje poniżej 2 µmol/L, dla japońskiego z ALDH2* wartość ta może osiągnąć 35 µmol / L .
aldehyd octowy ma silne działanie rozszerzające naczynia krwionośne, powodując zaczerwienienie twarzy lub „zaczerwienienie” (zespół zaczerwienienia). Jednocześnie występują gwałtowne objawy podobne do kaca (ból głowy, drżenie, złe samopoczucie) .
Tabela 1. Występowanie nieaktywnej dehydrogenazy aldehydowej (ALDH2*) w różnych populacjach etnicznych .
identyczne objawy obserwuje się u Europejczyków z aktywnym ALDH2, jeśli enzym zostanie zablokowany. Efekt ten można wywołać do woli za pomocą preparatu farmaceutycznego Antabuse®, związku, który całkowicie blokuje ALDH2. Wynikający z tego wstrząs w górę w stężeniu aldehydu octowego, z towarzyszącymi mu poważnymi objawami kaca, plagi narkomanów w fazie odstawienia, którzy są w trakcie leczenia, po jakimkolwiek pobłażaniu w alkoholu.
podobnie, po delektowaniu się potrawą, która zawiera Grzyb Coprinus atramentarius, ogólnie znany jako „zwykła Czapka z tuszem” lub „zmora tipplera”, należy przez następne trzy dni bezwzględnie unikać wszelkich napojów alkoholowych (rys. 4). W przeciwnym razie, po zaledwie kilku minutach, wystąpią poważne objawy kaca, takie jak zaczerwienienie, kołatanie serca i podwyższony puls, ból głowy, nudności, wymioty, ataki potu i drżenie kończyn. Szczególnie ciężkie przypadki mogą nawet doprowadzić do upadku . Ten obraz kliniczny jest znany jako zespół Coprinusa. Może utrzymywać się przez kilka godzin, choć do tej pory nie odnotowano przypadków śmierci.
.gif)
Rysunek 4. Zespół coprinusa.
przyczyną zespołu Coprinusa jest znacznie zwiększone stężenie aldehydu octowego we krwi ze względu na składnik grzyba, który blokuje utlenianie aldehydu octowego do kwasu octowego. Obserwowane objawy są identyczne z obserwowanymi po spożyciu alkoholu podczas leczenia lekiem Antabuse (disulfiram) . Winowajcą może być kopryna, N5-(1-hydroksycyklopropylo)-l-glutamina (2), która została wyizolowana z tego grzyba . Niedawno wykazano, że to nie sama kopryna blokuje dehydrogenazę aldehydową ALDH2, indukując w ten sposób objawy, ale raczej jeden z jej metabolitów, prawdopodobnie 1-aminocyklopropanol (3) lub hydrat cyklopropanonu (4) .
2.2 dodatkowe zmiany metaboliczne
Etanol i jego degradacja — ten ostatni postępuje z zawrotną prędkością — prowadzą do zmian fizjologicznych, które utrzymują się znacznie poza okresem zatrucia. Z chemicznego punktu widzenia etanol jest bogatym w kalorie środkiem redukującym, którego przetwarzanie pochłania znaczne ilości środka utleniającego NAD+ i obniża stosunek NAD+/NADH z 4:1 do 2:1. To obniżenie potencjału utleniania komórki powoduje masową i daleko idącą zmianę w metabolizmie, np. zmniejszenie syntezy glukozy, akumulację kwasu mlekowego, zwiększoną produkcję lipidów i zmniejszoną degradację tłuszczów i białek.
zmniejszona synteza glukozy z kolei obniża poziom cukru we krwi, co powoduje ogólne osłabienie fizyczne. W przypadku cukrzycy przyzwyczajonej do leków, może to spowodować straszną hipoglikemię. Tymczasem akumulacja kwasu mlekowego może obniżyć pH krwi poniżej 7,36 (kwasica).
zwiększona synteza kwasów tłuszczowych wraz ze zmniejszonym lipidem (tłuszczem) i metabolizmem białek prowadzi do odkładania się tłuszczu i białka w wątrobie. Jest to proces odwracalny w przypadku sporadycznego nadużywania alkoholu, ale w przewlekłej sytuacji prowadzi bezpośrednio do „stłuszczenia wątroby”, które wraz z dalszym uszkodzeniem metabolizmu wątroby wywołanym alkoholem może zakończyć się marskością wątroby lub rakiem.
spożycie etanolu podlega jednak nie tylko wadom. Stężenie cholesterolu HDL w osoczu („dobry cholesterol”) wzrasta, a zdolność do koagulacji krwi zmniejsza się. Oba te czynniki zapewniają ochronę przed atakami serca i udarem mózgu, co może pomóc w wyjaśnieniu mniejszej częstości występowania śmiertelnych chorób układu krążenia w niektórych krajach śródziemnomorskich (dieta śródziemnomorska). W niektórych przypadkach jednak czerwone wino jest tam spożywane w tak dużych ilościach, że chociaż choroba wieńcowa i udar są mniej powszechne, choroby wątroby — od stłuszczenia wątroby aż do raka — są bardziej powszechne.
jak zawsze-swobodnie zaadaptowane z Paracelsusa-umiar prawdopodobnie reprezentuje złoty środek.
-
Chemia kaca-alkohol i jego konsekwencje 1
► więcej o chemii kaca w Cz.3
K. Roth, Chem. Unserer Zeit 2005, 39, 348. DOI: 10.1002 / ciuz.200590067
szczegóły struktury i mechanizmu katalitycznego utleniania etanolu z ADH: www.chemie.tu-darmstadt.de/akplenio/moproc/zink/alkoholdehydrogenase / ADH_starthtm
C. S. Lieber, New Engl. J. Med. 1973, 288, 356. DOI: 10.1056 / NEJM197302152880710
, Proc. Natl. Acad. Sci. 1985, 82, 3771. Link
H. W. Goedde, D. P. Argawal, Alkoholizm, Pergamon Press, Nowy Jork 1989.
D. Crabb et al., J. Clin. Inwestuj. 1989, 83, 314. 10.1172 / JCI113875
, J. Stud. Alcohol 2000, 61, 13. Link
D. Michelot, Naturalne Toksyny 1992, 1, 73. DOI: 10.1002 / nt.2620010203
G. M. Hatfield, J. P. Schaumberg, Lloydia 1975, 38, 489. PMID: 1241098
P. Lindberg et al., Chem. Komunikator. 1975, 946. DOI: 10.1039 / C39750000946
P. Lindberg et al., J. Chem. Soc. Perkin I 1977, 684. DOI: 10.1039 / P19770000684
J. S. W. Wiseman, R. H. Abeles, Biochemistry 1979, 18, 427. DOI: 10.1021 / bi00570a006
K. Roth, Chem. Unserer Zeit 2004, 38, 426. DOI: 10.1002 / ciuz.200490092
Prof. Klaus Roth
Freie Universität Berlin, Niemcy.
artykuł został opublikowany w języku niemieckim w:
- Chem. Unserer Zeit, 2007, 41, 46-55.
DOI: 10.1002 / ciuz.200700409
i został przetłumaczony przez W. E. Russeya.
Inne artykuły Klausa Rotha opublikowane przez magazyn ChemViews:
- w Espresso — trzyetapowy preparat
Klaus Roth udowadnia, że żadne kulinarne arcydzieło nie może zostać osiągnięte bez podstawowej wiedzy z chemii
DOI: 10.1002/chemv.201000003 - w czekoladzie — najszlachetniejszy polimorfizm
Klaus Roth dowodzi, że tylko chemia jest w stanie wytworzyć taką niebiańską przyjemność
DOI: 10.1002/chemv.201000021 - w winie musującym, szampanie & Co
Klaus Roth pokazuje, że tylko chemia może być tym mrowieniem
DOI: 10.1002/chemv.201000047 - w „The Chemist’ s Fear of The Fugu „Klaus Roth pokazuje, że” The chemist 's fear of the fugu or pufferfish” rozciąga się aż do charakterystycznej i intrygującej pozycji, jaką niesie
DOI: 10.1002/chemv.201000104