| Glyceraldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase | ||
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| Oberflächen-/Bändermodell des GAPDH-Tetramer, nachPDB 1U8F | ||
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| Eigenschaften des menschlichen Proteins | ||
| Masse/LängePrimärstruktur | 334 aa; 35,9 kDa | |
| Sekundär- bisQuartärstruktur | Homotetramer | |
| Kofaktor | PRKCI, Sulfat | |
| Bezeichner | ||
| Gen-Namen | GAPDH, GAPD | |
| Externe IDs | ||
| Enzymklassifikation | ||
| EC, Kategorie | 1.2.1.12, Oxidoreduktase | |
| Reaktionsart | Phosphorylierung | |
| Substrat | D-Glyceraldehyd-3-phosphat + Phosphat + NAD(+) | |
| Produkte | 3-Phospho-D-glyceroylphosphat + NADH | |
| Vorkommen | ||
| Homologie-Familie | CLU_030140_0_3 | |
| ÜbergeordnetesTaxon | Lebewesen | |
| Orthologe | ||
| Mensch | Huhn | |
| Entrez | 2597 | 374193 |
| Ensembl | ENSG00000111640 | ENSGALG00000014442 |
| UniProt | P04406 | P00356 |
| Refseq (mRNA) | NM_002046 | NM_204305 |
| Refseq (Protein) | NP_002037 | NP_989636 |
| Genlocus | Chr 12: 6.51 – 6.52 Mb | Chr 1: 80.09 – 80.09 Mb |
| PubMed-Suche | 2597 | 374193 |
DieGlycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH, Syn. 3-Phosphoglycerinaldehyd-Dehydrogenase) ist einEnzym derGlycolyse und daher unentbehrlich für alle Lebewesen. Sie katalysiert die Umwandlung vonGlycerinaldehyd-3-phosphat zu1,3-Bisphosphoglycerat. Bei dieser Reaktion wird eine energiereichePhosphat-Bindung aufgebaut, die im folgenden Schritt der Glycolyse auf ADP übertragen wird, wodurch ATP entsteht. Außerdem wird in der katalysierten Reaktion einNAD+ zu NADH/H+ umgewandelt.
Unter normalen zellulären Bedingungen existiert dascytoplasmatische GAPDH hauptsächlich alsTetramer. Diese Form besteht aus vier identischen 37-kDa-Untereinheiten, die jeweils eine einzige katalytischeThiolgruppe enthalten und für die katalytische Funktion des Enzyms entscheidend sind.[1][2] Die GAPDH imZellkern hat einen erhöhtenisoelektrischen Punkt (pI) bei pH 8,3 bis 8,7.[2] Der Cysteinrest Cys152 imaktiven Zentrum des Enzyms ist für die Induktion derApoptose durchoxidativen Stress erforderlich.[2] Insbesondere tragenposttranslationale Modifikationen der cytoplasmatischen GAPDH zu seinen Funktionen außerhalb der Glykolyse bei.[1]
Zum Verständnis des Reaktionsmechanismus der GAPDH haben folgendeenzymologische Experimente beigetragen:[3]
Das Hauptproblem der Reaktion stellt die Abspaltung des H−-Ion (Hydridion) von derAldehydgruppe des Glycerinaldehyd-3-Phosphats dar. Dies ist energetisch ungünstig, da der Kohlenstoff in der Aldehydgruppe eine positive Partialladung trägt. Durch eine Sulfhydrylgruppe einesCysteins des Enzyms wird über einekovalente Bindung einnukleophiler Rest eingeführt. Das Nukleophil greift den Carbonylkohlenstoff von Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) an, um ein Thiohalbacetal zu bilden. Nach Abstraktion des Protons der Hydroxygruppe am C1-Atom von GAP durch eine Base löst sich das Hydridion und zwischen Enzym und Substrat entsteht einThioester (Oxidation). Diese energiereiche Verbindung wird in der nachfolgenden Reaktion benutzt, um ein anorganischesPhosphat zu binden und das Zwischenprodukt in 1,3-Bisphosphoglycerat umzuwandeln (Phosphorylierung). Das Hydridion bindet mittlerweile an ein nicht-kovalent an einerRossmann-Faltung gebundenes NAD+,[5] so dass NADH/H+entsteht. Dieses löst sich aus der Bindung mit dem Enzym und wird durch ein NAD+ ersetzt,[6] weil die positive Ladung des NAD+ das Thioester-Zwischenprodukt polarisiert, um den Angriff durch das Orthophosphat zu erleichtern.[7]Die katalysierte Reaktion nimmt energetisch einen hohen Stellenwert ein. Das entstandene gemischte Anhydrid aus Phosphor- undCarbonsäure wird in der nachfolgenden Reaktion zurATP-Bildung verwendet. Aus dem NADH/H+ kann wiederum ATP in derAtmungskette gebildet werden.[8] Weil Zellen nur eine begrenzte Menge an NAD+ besitzen, würde die Glykolyse stehenbleiben, wenn das in der Glykolyse produzierte NADH nicht kontinuierlich reoxidiert werden würde. Daher wird NAD+ aus demanaeroben Abbau von Pyruvat regeneriert.[5][9]
Die von der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase katalysierte Reaktion ist in Wirklichkeit die Summe zweier Prozesse: der Oxidation von Glycerinaldehyd-3-phosphat zu 3-Phosphoglycerat durch NAD+ und der Phosphorylierung von 3-Phosphoglycerat zu 1,3-Bisphosphoglycerat (Dehydratisierung).
Die erste Reaktion ist mit einer Änderung derfreien Standardenthalpie () von etwa −50 kJ/mol thermodynamisch recht günstig. Die zweite Reaktion verläuft mit einer freien Standardenthalpie von ungefähr +50 kJ/mol sehr ungünstig. Daher müssen die beiden Reaktionen miteinander gekoppelt verlaufen, damit die Aldehydoxidation die Bildung des Acylphosphats antreiben kann. Die Kopplung erfolgt durch ein Thioester-Zwischenprodukt, welches durch eine Thioesterbindung an das Enzym gebunden ist. Thioester sind energiereiche Verbindungen, die man in vielen biochemischen Stoffwechselwegen findet. Diefreie Energie des Thioester-Zwischenproduktes ist größer als die der freien Carbonsäure. Damit bleibt der größte Teil der freien Enthalpie, die bei der Oxidationsreaktion frei wurde, erhalten.[12]
Alle Schritte der Glykolyse finden im Cytosol statt, ebenso die durch GAPDH katalysierte Reaktion. Inroten Blutkörperchen bilden GAPDH und mehrere andere glykolytische Enzyme bestimmteEnzymkomplexe auf der Innenseite derZellmembran. Der Prozess scheint durch Phosphorylierung und Oxygenierung reguliert zu werden.[13] Es wird erwartet, dass die Annäherung mehrerer glykolytischer Enzyme die Gesamtgeschwindigkeit des Glukoseabbaus stark erhöht. Einige Studien haben auch gezeigt, dass GAPDH auf der Außenseite der ZellmembranEisen-abhängigexprimiert wird und dort eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Eisenhomöostase spielt,[14][15] insbesondere alsChaperonprotein für labilesHäm in Zellen.[16]
GAPDH kann selbst dieTranskription aktivieren. DerOCA-S-Transkriptionscoaktivator-Komplex enthält GAPDH undLactatdehydrogenase, zwei Proteine, von denen bisher angenommen wurde, dass sie nur am Stoffwechsel beteiligt sind. GAPDH bewegt sich zwischen dem Cytosol und dem Zellkern und kann so den metabolischen Zustand mit der Gentranskription verbinden.[17]
Im Jahr 2005 haben Haraet al. gezeigt, dass GAPDH die Apoptose initiiert. Die Initiation wird durch die GAPDH-Bindung anDNA vermittelt. Die Studie zeigte, dass GAPDH durchStickstoffmonoxid als Reaktion auf ZellstressS-nitrosyliert wird, wodurch es an das Protein SIAH1, eineUbiquitin-Ligase, bindet. Der Komplex bewegt sich in den Zellkern, in dem SIAH1 auf Kernproteine zum Abbau abzielt, wodurch ein kontrolliertes Herunterfahren der Zellen eingeleitet wird.[18] In einer anschließenden Studie zeigte die Gruppe, dassSelegilin, das klinisch zur Behandlung derParkinson-Krankheit eingesetzt wurde, die apoptotische Wirkung von GAPDH stark reduziert, indem es dessenS-Nitrosylierung verhindert und daher möglicherweise als Medikament eingesetzt werden kann.[19]
GAPDH wirkt unter oxidativem Stress als reversibler Stoffwechselschalter.[20] Wenn Zellen bestimmtenOxidationsmitteln ausgesetzt sind, benötigen sie übermäßige Mengen des antioxidativen CofaktorsNADPH. Im Cytosol wird NADPH durch mehrere Enzyme aus der Reduktion von NADP+ hergestellt, von denen drei die ersten Schritte desPentosephosphatwegs katalysieren. Oxidationsmittel-Behandlungen verursachen eine Inaktivierung von GAPDH. Durch diese Inaktivierung wird der Stoffwechselfluss von der Glykolyse auf den Pentosephosphatweg umgeleitet, sodass die Zelle mehr NADPH erzeugen kann.[21] Unter Stressbedingungen wird NADPH von einigen Antioxidanssystemen, einschließlichGlutaredoxin undThioredoxin, benötigt und ist für das Recycling vonGlutathion essentiell.
Die Bildung des energiereichen Anhydrids ist durchArsen hemmbar. AsO43− bindet dabei analog zumPhosphat an die GAPDH. NADH wird weiterhin gebildet.[22] Die Bindung zwischen dem Carboxylat, das aus der Oxidation des Aldehyds entsteht und dem Arsenat ist jedoch sehr instabil, so dass das gemischte Anhydrid zu3-Phosphoglycerat zerfällt. Dadurch wird ein energiefixierender Schritt in der Glykolyse übersprungen, was zur Giftwirkung des Arsens beiträgt.[23]
GAPDH scheint auch am Vesikeltransport vomendoplasmatischen Retikulum (ER) zumGolgi-Apparat beteiligt zu sein, der Teil der Transportroute für sezernierte Proteine ist. Es wurde festgestellt, dass GAPDH vonRab2 in die vesikulär-tubulären Cluster des ER rekrutiert wird, wo es zur Bildung vonCOPI-Vesikeln beiträgt. GAPDH wird durch Tyrosinphosphorylierung durchTyrosinkinase Src aktiviert.[24]
Da das GAPDH-Gen in den meisten Geweben und Zellen in hohem Maße stabil und konstitutiv exprimiert wird, wird es alsHaushaltsgen angesehen. Aus diesem Grund wird GAPDH von biologischen Forschern häufig als Ladungskontrolle fürWestern Blot und als Kontrolle für dieqPCR verwendet. Forscher berichteten jedoch über unterschiedliche GAPDH-Regulationen unter bestimmten Bedingungen.[25] Beispielsweise wurde gezeigt, dass derTranskriptionsfaktorMZF-1 das GAPDH-Gen reguliert.[26] Daher muss die Verwendung von GAPDH als Ladungskontrolle sorgfältig abgewogen werden.
GAPDH wird bei mehreren Krebsarten beim Menschen, wie demHautmelanom,überexprimiert und seine Expression korreliert positiv mit dem Fortschreiten des Tumors.[27][28] Seine glykolytischen und anti-apoptotischen Funktionen tragen zurProliferation und zum Schutz von Tumorzellen bei und fördern dieKarzinogenese. Insbesondere schützt GAPDH vorTelomerverkürzung, die durch chemotherapeutische Medikamente induziert wird, die dasSphingolipidCeramid stimulieren. Ebenso beeinträchtigen Bedingungen wie oxidativer Stress die GAPDH-Funktion und führen zu Zellalterung und Tod.[2] Darüber hinaus wird durch die Entfernung von GAPDH eineSeneszenz in Tumorzellen induziert, was eine neuartige Therapiestrategie zur Kontrolle des Tumorwachstums darstellt.[29]
GAPDH ist an mehreren neurodegenerativen Krankheiten und Störungen beteiligt, hauptsächlich durch Wechselwirkungen mit anderen Proteinen, die für diese Krankheit oder Störung spezifisch sind. Diese Wechselwirkungen können nicht nur den Energiestoffwechsel, sondern auch andere GAPDH-Funktionen beeinflussen.[1] Beispielsweise könnten GAPDH-Wechselwirkungen mit dem β-Amyloid-Precursor-Protein (BetaAPP) die Funktion desCytoskeletts oder desMembrantransports beeinträchtigen, während Wechselwirkungen mitHuntingtin die Funktion der Apoptose, des nukleärentRNA-Transports, derDNA-Replikation und derDNA-Reparatur beeinträchtigen könnten. Darüber hinaus wurde über die nukleäre Translokation (Transport durch die Kernporen des Zellkerns) von GAPDH bei der Parkinson-Krankheit (PD) berichtet und mehrere anti-apoptotische PD-Medikamente wieRasagilin wirken, indem sie die nukleäre Translokation von GAPDH verhindern. Es wird vermutet, dass der Hypometabolismus (erniedrigte Stoffwechselrate) einen Beitrag zur Parkinson-Krankheit leistet. Die genauen Mechanismen, die der Beteiligung von GAPDH an neurodegenerativen Erkrankungen zugrunde liegen, müssen jedoch noch geklärt werden.[30] DerSNP rs3741916 im5′-UTR des GAPDH-Gens kann mit derlate-onsetAlzheimer-Krankheit assoziiert sein.[31]
Gene, Proteine und Metaboliten sind zu den jeweiligen Artikeln in Wikipedia, WikiPathways oderEntrez Gene verlinkt.
