乙醇脱氢酶应用研究现状

摘　要：乙醇脱氢酶(ADH)是广泛分布于人和动物肝脏、植物及微生物细胞之中的含锌金属酶，具有广泛的底物特异性。ADH作为生物体内主要短链醇代谢的关键酶，近年来已经受到了国内外研究者的普遍关注，并对其同功酶的结构、理化性质、生物学功能、遗传学特性、分离提取技术等进行了较多的基础性研究工作，为其在科学研究和工农业生产中的应用奠定了良好基础。文章主要对ADH在工业分析、化工生产、食品和医药研究以及生物科学中的应用进行了概述，以便为其进一步研究开发提供参考。

关键词：乙醇脱氢酶；同功酶；应用

乙醇脱氢酶(alcohol dehydrogenase，ADH)能够以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adeninedinucleotide，NAD)为辅酶，催化伯醇和醛之间的可逆反应。在人和哺乳动物体内，ADH与乙醛脱氢酶(ALDH)构成了乙醇脱氢酶系，参与体内乙醇代谢，是人和动物体内重要的代谢酶。近年来，有机相催化和膜反应器的研究发展，对ADH的研究应用起到了积极的推动作用。目前，ADH的应用研究主要体现在以下几个方面：①ADH生物电极和乙醇生物传感器，可用于工业分析乙醇浓度；②ADH的催化特性，在化学工业中应用于许多原材料及中间反应物的生产；③ADH作为人和动物重要的生理指标用于各项研究；④伴随生物技术和酶工业的发展，ADH被作为新的实验材料，用于开展各种新的研究。总之，ADH的研究应用已经成为自然科学研究领域的热点之一，正被越来越多地应用于医学分析、工业生产和科学研究等方面。

1　ADH生物电极和乙醇生物传感器

ADH在乙醇浓度分析中能够发挥很大作用，可体现在ADH生物电极和乙醇生物传感器的生产与应用方面。

目前，工业上分析乙醇浓度的方法通常为蒸馏法，这种方法费时费力，操作复杂。特别是在发酵工业中，使得对发酵过程的连续监测和控制无法进行。以生物电极为传感器分析乙醇浓度的研究表明，它具有选择性好、微型化灵敏度高、测量简便、快速等优点，因而，受到科学工作者的重视，各种酶电极和乙醇传感器应运而生。国内对ADH电极的研究也取得一定成就，在克服了早期ADH电极操作复杂、设计费用高等缺点的基础上，吕跃钢等用面包酵母粉代替ADH，大大降低了电极的生产成本，对该类电极的批量生产及其在工业上的应用奠定了基础。NiculescuM等报道了一种新的乙醇传感器的构造及适宜的应用条件，该传感器是基于醌类血红蛋白ADH与其它化合物组成的复合体系，优化后的传感器可以灵活自动地进行白酒分析，能够对白酒发酵过程进行实时监控。

乙醇也是某些临床诊断的重要项目及一些饮料的主要成分。在这些方面，乙醇检测方法目前主要有气相色谱法和分光光度法。近年来随着酶电极和乙醇传感器的发展，应用电化学方法直接检测乙醇浓度已经成为可能。施清照等研制的电流型乙醇生物传感器是将ADH及NAD＋均固定在人造丝网上，以键合型NBA修饰浸蜡石墨电极为基体电极，乙醇在ADH作用下产生还原型烟酰胺腺瞟呤二核苷酸(reducednicotinamide adeninedinucleotide，NADH)，通过测量NADH在酶催化反应前后的浓度变化，引起介体氧化电流变化，最终达到测定乙醇浓度的目的。

虽然国内外在ADH电极及传感器研究方面取得了一定成就，但由于酶本身稳定性较差及设备结构限制，致使乙醇传感器寿命相对较短，还有待逐步克服。

2　ADH在化工生产中的应用

在化学工业中，利用ADH的催化特性生产许多原材料及中间反应物。在二氧化碳转化合成甲醇的过程中，ADH就发挥了酶的催化作用。

CO2是温室气体的主要成分，它的固定和再利用一直是人们关注和亟待解决的问题。通过化学或生物学途径，CO2可被转化为多种无机或有机化合物，如低碳醇、低碳烃和有机酸等，其中将CO2转化为甲醇是一条具有重要研究价值和应用前景的途径。它不但可以解决CO2的循环再利用问题，同时还可以为人类提供重要的化工原料和洁净燃料甲醇。

为了实现CO2向甲醇的转化，研究者曾尝试了多种方法，其中酶催化法以其高效、专一及反应条件温和等优点，近年来备受关注，在CO2的固定和还原反应中已有应用。许松伟等采用甲酸脱氢酶(formatedehydrogenase，FDH)、甲醛脱氢酶(formaldehydedehydrogenase，FADH)和ADH为催化剂，以NADH作为电子供体，通过3步连串反应将CO2转化为甲醇，探索出了CO2利用的新途径。

ADH在乙醇生产中也有重要作用。通过产生ADH的菌株进行乙醇生产，相对于以往各种无机、有机合成乙醇的方法来说，具有操作简便、产物更易获得等优点。近年来，人们致力于对产生ADH的菌株进行改造，从而使其更适合于乙醇生产。陆坚等报道了利用葡萄糖、木糖生产燃料酒精的基因工程菌构建，从而降低了燃料酒精生产成本，提高了生产效率。

3　ADH在食品科学和医药研究上的应用

3.1　食品科学

ADH广泛存在于各种生物之中，在乙醇代谢过程中发挥着极为重要的作用。以此酶的活性为重要指标，对于食品研究和生产具有指导作用。例如在柿饼脱涩研究方面，柿饼中单宁的聚合过程主要是在ADH作用下完成的，乙醇在ADH作用下转变为乙醛，乙醛和单宁聚合生成不溶性的树脂状络合物，能够使涩味消失。

果实在采摘之后的贮藏过程中，由于无氧呼吸作用会发生乙醇的积累，从而危害果实的品质。ADH能够直接以乙醇为底物，催化乙醇转变为乙醛，再通过一系列分解转化，最终可以消解无氧呼吸产生的过多乙醇，在一定程度上能够解除过多乙醇对果实组织的损害，对果实储藏十分有益。

3.2　解酒药物研究

众所周知，适量饮酒有利于身体健康，但急性大量饮酒可引起恶心、呕吐等不良反应，严重者失去知觉甚至死亡。长期饮酒还可引起肝损伤、脑损伤等疾病，严重影响人们的身心健康。因此，研究开发有效的解酒产品已受到各国政府和人民的普遍重视。

乙醇经消化道吸收后，75%～98%在肝脏分解，其余小部分经肾和肺排出。在肝脏中，促进乙醇代谢的酶主要是ADH与乙醛脱氢酶(acetaldehydedehydrogenase，ALDH)，这两种酶由于基因多态性，存在着明显的种族差异。ADH与ALDH总活力的高低决定了乙醇在体内代谢的速度。因此，在众多的解酒药物研究方面，ADH活性已被作为一项重要的检测指标，用于观察解酒药物对ADH是否具有诱导作用，以便了解药物能否加快乙醇分解代谢，从而减少乙醇对人体的损害。同时开发高活性的ADH与 ALDH也已经成为解酒药研究的重要方向之一。

LizanoC等在对人红细胞体外消耗乙醇研究的基础上，应用电穿孔技术将ADH与ALDH联合包埋于小鼠红细胞中，用于对急性乙醇中毒小鼠进行处理。结果表明，小鼠血中乙醇浓度较对照组低43%，乙醇消除量高达0.39mL/min，较对照组高0.19 mL/min。说明包被ADH＋ALDH的红细胞可以作为潜在的载体系统消除摄入体内的高浓度乙醇。

国内关于ADH用于解酒的研究报道较少。陈廷伟等在解酒防醉保肝饮料研制中，选用产ADH活性较强的乳酸菌用于酸奶、果茶生产，或提取ADH制成口服液，饮酒时服用使其在胃黏膜形成保护层，乙醇在ADH作用下部分消耗，可减少乙醇进入血液伤及肝脏。

3.3　疾病诊断

ADH在人和动物体内主要存在于胃和肝脏，一些肝、胃疾患可能与ADH活性相关。正常情况下，ADH在肝脏中含量最高，血清中的ADH活性是恒定的，只有当肝细胞受损时，ADH由肝细胞内释放到血清中，从而引起血清中ADH含量升高，所以检测血清中的ADH活性是诊断某些肝脏疾患的指标之一。

4　ADH在生物科学中的应用

4.1　基因多态性研究方面

人类ADH基因位于4号染色体的长臂，可编码同源或异源二聚体的ADH同工酶。ADH是一种含锌金属酶，其同工酶有20余种，常见的有ADH1～ADH5五种，分别由ADH1～ADH5基因编码的5种多肽亚基α、β、γ、π和χ组成。ADH1～ADH3基因在染色体上位置相邻近，它们的cDNA序列有94%是相同的，因此ADH1～ADH3三种基因密切相关。研究发现，在ADH2和ADH3基因位点存在多态性，尚未发现ADH1、ADH4或ADH5存在多态性。

ADH同功酶对研究基因多态性有重要意义，同时也使得一些疾病可以从基因水平得到解释。李俊杰报道了ADH3遗传多态性对摄入乙醇后唾液和全血中的乙醛含量有一定影响。在此方面，朱孔锡还报道了ADH基因多态性与酒精性肝病发生的关系。

4.2　生物工程研究方面

ADH基因也被用于基因工程菌的构建，用于一些产品的生产。为了防止酿酒酵母对生产出的乙醇进行分解，史文慧等通过乙酸锂转化的方法，将一段对遗传霉素抗性的DNA片断转入酵母细胞中与ADH2基因进行同源重组。经过抗性筛选得到一株ADH2基因突变的杂合双倍体菌株，对突变杂合双倍体菌株通过四分体剖分，获得了一株ADH2基因被删除的突变单倍体菌株。经发酵试验发现，ADH2基因被删除的突变单倍体菌株不利用乙醇。

5　结语

作为生物体内重要的氧化还原酶类之一，ADH的作用正在受到研究者越来越多的关注。Tokumitsu OM等近年通过研究，从几种蘑菇中获得了高活性的ADH，并将其应用于酒精饮料的发酵生产。动物试验结果表明，生产的酒精饮料既具有抗癌、抗血栓活性，而且乙醇含量可与酵母发酵相比。说明ADH在人和动物健康方面具有很高的开发应用价值。

综上所述，利用ADH研制乙醇生物传感器的工作起步较早，技术较为成熟；而在化工生产、解酒药的开发、疾病诊断、食品生产及基因工程等方面的应用研究还处于起步或探索阶段。随着有机相酶催化和膜反应器的发展以及遗传工程和DNA重组技术的进步，ADH将会在更多领域得到更广泛的应用。