Enzymatisk nedbrydning af alkohol

Når alkohol optages i kroppen, kan den ikke udskilles i sin oprindelige form. Den skal først nedbrydes til mindre dele, som kroppen kan behandle og udskille. Denne proces katalyseres af enzymer, som får reaktionen til at forløbe hurtigere, end den ellers ville gøre. I kroppen nedbrydes alkohol ved hjælp af enzymerne alkoholdehydrogenase og aldehyddehydrogenase. For at forstå alkohols nedbrydning er det derfor vigtigt at se nærmere på, hvad enzymer er, og hvordan de virker.

Hvad er et enzym?

Enzymer er proteiner, der fungerer som katalysatorer for kemiske reaktioner. Det betyder, at de øger reaktionshastigheden uden selv at blive forbrugt. En katalyseret reaktion kan forløbe millioner af gange hurtigere end den samme reaktion uden enzym. Uden enzym vil mange reaktioner ske så langsomt, at de i praksis er ubetydelige. Enzymer spiller derfor en central rolle i kroppen og bestemmer, hvilke reaktioner, der forløber hurtigt nok til at have betydning. En vigtig egenskab ved enzymer er deres specifitet: hvert enzym katalyserer kun bestemte reaktioner under specifikke betingelser.

Mange enzymer kræver desuden et hjælpemiddel, en cofaktor, for at fungere. Cofaktorer kan være metaller eller små organiske molekyler kaldet coenzymer. Coenzymer fungerer blandt andet som transportører af kemiske grupper, hvilket hjælper enzymet med at katalysere reaktionen. For alkohol nedbrydning er coenzymerne NADH og NAD⁺ særligt vigtige.

Hvordan virker et enzym?

Overordnet fungerer enzymers aktivitet ved, at et enzym (E) møder et substrat (S) og danner et kompleks (ES). I dette kompleks foregår den kemiske reaktion, hvor substratet omdannes til produkt (P), mens enzymet bevarer sin oprindelige form og kan katalysere nye reaktioner (figur 3). Enzymet forbruges altså ikke under processen.

 

Figur 3. Enzymers overordnede katalysemekanisme. Et substrat (rødt) nærmer sig et enzym (gult). De to danner et enzym-substrat-kompleks. En kemisk reaktion forløber, og substratet omdannes til produkt (blåt). Produktet frigives, og enzymet kan katalysere en ny reaktion.

Enzymet fungerer ved at sænke aktiveringsenergien for reaktionen, det vil sige den energi, der kræves for, at substratet kan omdannes til produkt. Uden enzym ville mange reaktioner forløbe langsomt, fordi energibarrieren er høj. Når substratet bindes til enzymets aktive site, stabiliseres overgangstilstanden, og reaktionen kan forløbe hurtigere og mere effektivt (figur 4).

En måde at forstå et enzyms opbygning og interaktion med substrater på er det såkaldte ’nøgle-i-lås’-princip. En del af enzymet kan opfattes som et nøglehul, hvori substratet (nøglen) passer perfekt. Det er i dette aktive site, at selve katalysen finder sted, og hvor aktiveringsenergien sænkes, så substratet lettere omdannes til produkt.

Figur 4. Enzymer fungerer ved at sænke aktiveringsenergien (Ea) for en reaktion. Dette betyder, at reaktionen kan forløbe hurtigere og under mildere betingelser, end hvis enzymet ikke var til stede.

Alkohols nedbrydning i kroppen

Når ethanol indtages, udskilles det kun langsomt i uomdannet form. Kroppen nedbryder det derfor til andre stoffer, som kan udskilles hurtigere. Nedbrydningen sker primært i leveren og katalyseres af enzymet alkoholdehydrogenase (ADH) samt coenzymerne NAD⁺ og NADH. Ved stort og langvarigt alkoholforbrug kan leveren overbelastes, hvilket i alvorlige tilfælde kan føre til leversvigt eller skrumpelever.

Efter indtagelse optages alkoholen fra mave-tarm-kanalen i blodet og transporteres rundt i kroppen, blandt andet til hjernen, hvor den giver beruselse, samt til leveren, hvor hovedparten af nedbrydningen foregår. Det første trin i nedbrydningen er oxidation af ethanol (CH₃CH₂OH) til acetaldehyd (CH₃CHO), også kaldet ethanal.

Reaktion 1:

CH_3CH_2OH + NAD^+ \rightleftharpoons CH_3CHO + NADH + H^+

Reaktion 1 katalyseres af enzymet alkoholdehydrogenase (ADH). Her omdannes ethanol til ethanal (acetaldehyd), samtidig med at coenzymet NAD⁺ reduceres til NADH. Som omtalt tidligere fungerer coenzymer som bærere af kemiske grupper. I dette tilfælde overføres en hydridion (H⁻), som senere bidrager til ATP-produktionen i mitokondrierne.

Det næste trin i nedbrydningen er omdannelsen af acetaldehyd til acetat (CH₃COO⁻). Også her omsættes NAD⁺ til NADH, men denne gang katalyseres reaktionen af enzymet aldehyddehydrogenase, som står for reaktion 2.

Reaktion 2:

 

Efter dette trin kan acetat protoneres og omdannes til eddikesyre (CH₃COOH), som herefter omdannes til acetyl-coenzym A (acetyl-CoA). Acetyl-CoA indgår i citronsyrecyklussen, hvor det videre nedbrydes og bidrager til dannelsen af ATP (energi). Figur 5 opsummerer metabolismen i leveren samt citronsyrecyklussen i mitokondrierne. I reaktionerne indgår NAD⁺, som reduceres til NADH. Dette opsamler energi og hjælper med at opretholde redoxbalancen i cellen. Senere kan NADH frigive den opsamlede energi, hvilket resulterer i dannelsen af ATP. Alkohol bidrager altså indirekte til kroppens energiproduktion.

Ethanol har både euforiserende og skadelige virkninger, men særligt acetaldehyd, nedbrydningsproduktet fra alkohol, spiller en central rolle. Acetaldehyd findes under nedbrydningen i leveren og blodet og er giftigt, hvilket kan forårsage skader, fx føtalt alkoholsyndrom hos gravide og symptomer på tømmermænd. Disse effekter udnyttes i behandling af alkoholafhængighed. Medikamentet Antabus indeholder disulfiram, en irreversibel inhibitor af enzymet aldehyddehydrogenase. Herved hæmmes nedbrydningen af acetaldehyd, som hurtigt ophobes og medfører kraftigt ubehag, hvilket giver et stærkt incitament til at undgå alkohol.

Figur 5. Enzymatisk nedbrydning af ethanol i kroppen. Trinvise oxidation af ethanol til acetat via enzymerne alkohol dehydrogenase (ADH) og aldehyd dehydrogenase (ALDH). Processen kræver co-faktoren NAD+ og ender med dannelsen af Acetyl CoA, som indgår i citronsyrecyklus til produktion af ATP.