Glicerinaldehid-3-foszfát-dehidrogenáz

Sablon:Protein infobox A glicerinaldehid-3-foszfát-dehidrogenáz (GAPDH, Sablon:EC) a glikolízis 6. lépését katalizáló 37 kDa körüli enzim. A GAPDH számos nem anyagcseréhez kapcsolódó folyamatban is részt vesz, például a transzkripcióaktivációban, az apoptózis indításában, a ER–Golgi vezikulumszállításban és az axoplazmás tranzportban. Spermában a herespecifikus GAPDHS izoenzim kifejeződik.

Szerkezet

A sejtben a citoplazma-GAPDH elsősorban 4 azonos, egy, az enzimműködéshez fontos katalitikus tiolcsoportot tartalmazó 37 kDa-os alegységből álló tetramer. A magi GAPDH izoelektromos pontja (pI) pH 8,3-8,7. Az aktív hely C152 ciszteinje az oxidatív stressz miatti apoptózis elindításához szükséges. A GAPDH transzláció utáni módosulásai járulnak hozzá a glikolízisen kívüli funkcióihoz.

A GAPDH-t egy gén kódolja, mely az mRNS-transzkriptumot kódolja 8 splicingváltozattal, de van izoformája, melyet egy másik gén kódol, amelyet csak a spermiumok expresszálnak.

Reakció

Kétlépéses G3P-átalakítás

Az első reakció a glicerinaldehid-3-foszfát (G3P) 1. (a diagramban 4.) szénatomjának oxidációja, ahol egy aldehid karbonsavvá alakul $(\mathrm{\Delta }{G}^{\circ \prime }=-50\frac{kJ}{mol})$, ekkor a Sablon:Chem endergonikusan redukálódik NADH-vá.

Ezen erősen exergonikus reakció által felszabadult energia hajtja az endergonikus második reakciót $(\mathrm{\Delta }{G}^{\circ \prime }=+50\frac{kJ}{mol})$, ahol szervetlen foszfát kerül a GAP köztitermékre magas foszforiltranszfer-potenciálú 1,3-biszfoszfoglicerát (1,3-BPG) terméket adva.

A kissé endergonikus $(\mathrm{\Delta }{G}^{\circ \prime }=6,3\frac{kJ}{mol})$ teljes reakció oxidációhoz kapcsolt foszforiláció. Ezt a GAPDH teszi lehetővé.

Mechanizmus

A GAPDH kovalens és báziskatalízissel csökkenti a 2. lépés, a foszforiláció aktivációs energiáját.

1. Oxidáció

Először a GAPDH aktív helyén lévő cisztein a G3P karbonilcsoportjára kerül, féltioacetál köztiterméket adva (kovalens katalízis).

Ezt az aktív helyen lévő egyik hisztidin deprotonálja (általános báziskatalízis). Ez a karbonilcsoport ismételt létrejöttét és hidridion kibocsátását teszi lehetővé a későbbi tioészter-köztitermékben.

Ezután egy közeli erősen kapcsolt [[nikotinamid-adenin-dinukleotid|Sablon:Chem]] megköti a hidridiont, NADH-t létrehozva a féltioacetál tioészterré oxidálódásával.

E tioészter sokkal nagyobb energiájú (kevésbé stabil) a karbonsavnál, mely a G3P GAPDH nélküli oxidációjakor jönne létre (a karbonsav olyan alacsony eergiájú, hogy a foszforiláció aktivációs energiája túl magas lenne, így túl lassú és kedvezőtlen lenne élőlény számára a reakció).

2. Foszforiláció

A NADH elhagyja az aktív helyet, és újabb Sablon:Chem váltja, melynek pozitív töltése stabilizálja a negatívan töltött karboniloxigént a következő, végső lépés átmeneti állapotában. Végül egy szervetlen foszfát a tioészterhez kötődik, tetraéderes intermediert adva, mely végül 1,3-biszfoszfogliceráttá és a cisztein tiolcsoportját adja.

Szabályozás

E fehérje az allosztérikus szabályzás morfiinmodelljét használhatja.

Funkció

Anyagcsere

Mint nevéből következik, a glicerinaldehid-3-foszfát-dehidrogenáz a glicerinaldehid-3-foszfát Sablon:Dexter-glicerát-1,3-biszfoszfáttá alakulását katalizálja. Ez a glükóz glikolitikus bontásának, az energia- és szénellátás fontos útjának 6. lépése, mely az eukarióta sejtek citoszoljába történik. Ez az átalakulás 2 egymáshoz kapcsolódó lépésben történik. Az első kedvező, és lehetővé teszi a második, kedvezőtlen lépés bekövetkeztét.

Adhézió

A GADPH fő funkcióján túl szerepet játszik az adhézióban és más partnerekhez való kapcsolódásban. A Mycoplasma és Streptococcus bakteriális és a Paracoccidioides brasiliensis gomba-GAPDH-ja képes a humán sejten kívüli mátrix összetevőihez kötődni és az adhézióban részt venni. A GADPH a felszínhez kötődik, hozzájárulva az adhézióhoz és a káros patogének kizárásához. A Candida albicans GADPH-ja a sejtfalhoz asszociált, és fibronektinhez és lamininhoz kötődik. A probiotikumfajok GADPH-ja képes a humán vastagbélmucin és ECM kötésére, a bélprobiotikumok megnövekedett jelenlétét okozva. Patel D. et al. kimutatták, hogy a Lactobacillus acidophilus-GAPDH mucinhoz kötődik az adhézióban.

Transzkripció és apoptózis

A GAPDH képes a transzkripció aktiválására. Az OCA-S transzkripcióaktiváló komplex két, korábban csak az anyagcserében szerepet játszónak gondolt fehérjét, a GAPDH-t és a laktát-dehidrogenázt tartalmazza. A GAPDH a plazma és a mag közt mozog, így az anyagcsere-állapotot és a géntranszkripciót is összekapcsolhatja.

2005-ben Hara és társai kimutatták, hogy a GAPDH az apoptózist is elindítja. Ez nem új funkció, de tekinthető a DNS-hez kapcsolódó GAPDH által mediáltnak a transzkripcióhoz hasonlóan. A GAPDH NO által S-nitrozilációja a stresszre válaszul lehetővé teszi kapcsolódását a SIAH1 ubikvitin-ligázhoz. A komplex a magba kerül, ahol a SIAH1 magi fehérjéket bont le, elindítva a sejthalált. Később a csoport kimutatta, hogy a Parkinson-kór kezelésére használt deprenil az S-nitrozilációt akadályozva erősen csökkenti a GAPDH apoptotikus aktivitását.

Metabolikus váltó

A GAPDH visszaállítható metabolikus váltó oxidatív stressz esetén. Az oxidatív stressznek kitett sejteknek nagy mennyiségű NADPH kell. A citoszolban NADPH-t számos enzim állít elő Sablon:Chem-ból, ebből 3 katalizálja a pentóz-foszfát útvonalat. Az oxidálószer-kezelések GAPDH-inaktivációt okoznak. Ez a glikolízisről a pentóz-foszfát-útvonalra való váltást okoz, lehetővé téve az NADPH-termelést. Stressz esetén NADPH-t igényelnek egyes antioxidáns-rendszerek, például a glutaredoxin és a tioredoxin, de NADPH kell a glutation újbóli hasznosításához is.

ER–Golgi transzport

A GAPDH szerepet játszhat a vezikulumtranszportban az endoplazmatikus retikulumtól (ER) a Golgi-készülékig, mely az elválasztott fehérjék szállítási útvonalának része. Ezenkívül GAPDH-t használ a rab2 az ER vezikuláris tubuláris klasztereiben, ahol segíti a COPI-vezikulumok létrehozását. A GAPDH-t a tirozinfoszforiláció aktiválja az Src gén révén.

További funkciók

A GAPDH-nak más enzimekhez hasonlóan több funkciója van. A glikolízis 6. lépésének katalízisén kívül egy 2014-es tanulmány szerint a GAPDH fontos a vashomeosztázisban, ahol chaperon a sejtekben lévő labilis hem számára.

Használata töltéskontrollra

Mivel a GAPDH gén gyakran stabilan és folyamatosan magas szinten expresszálódik a legtöbb szövetben és sejtben, házmestergénnek tekintik. Ezért a GADPH-t gyakran használják töltés- és qPCR-kontrollnak. Azonban bizonyos körülmények közt eltér a GAPDH szabályozása. Például az MZF-1 transzkripciós faktor szabályozza a GAPDH gént. A hipoxia is erősen növeli a GAPDH-expressziót. Ezért a GAPDH kontrollkénti használata nem mindig megfelelő.

Eloszlása a sejtben

A glikolízis minden lépése, így a GAPDH által katalizált reakció is a citoszolban történik. A vörösvérsejtekben a GAPDH és néhány más glikolitikus enzim komplexekké áll össze a sejtmembrán belsejében. A foszforiláció és az oxigénezés a folyamatot szabályozzák. Több glikolitikus enzim egymáshoz közeli elhelyezése jelentősen növeli a glükózbontás sebességét. 2014-es tanulmányok szerint a GAPDH sejtmembránon kívüli expressziója vasdependens, ahol a vashomeosztázisban játszik szerepet.

Klinikai jelentősége

Rák

A GAPDH számos humán rák, például a melanóma esetén túlexpresszálódik, expressziója a tumor előrehaladásával növekszik. Glikolitikus és antiapoptotikus funkciói segítik a tumorsejtek proliferációját és védelmét, így a tumorigenezist is. A GADPH a ceramidstimuláló kemoterápiás szerek okozta telomerrövidülést akadályozza. Az olyan körülmények, mint például az oxidazív stressz gátolják a GAPDH-t, a sejt öregedését és halálát okozva. A GAPDH csökkenése a tumorsejtekben senescentiát okoz.

Neurodegeneráció

A GAPDH több neurodegeneratív betegségben és rendellenességben szerepet játszhat, főleg a más fehérjékkel való, a betegségre, rendellenességre jellemző interakciókkal. Ezek nemcsak az energiatermelést befolyásolhatják, hanem más GAPDH-funkciókat is. Például a GAPDH β-amiloid-prekurzorral (βAPP) való interakciója befolyásolhatja a sejtvázzal vagy a membrántranszporttal kapcsolatos funkciókat, míg a huntingtinnal való interakció az apoptózissal, a magi tRNS-transzporttal, a DNS-replikációval és -javítással kapcsolatosakat. A GAPDH magi transzlokációja figyelhető meg Parkinson-kór esetén, és számos antiapoptotikus PD-gyógyszer, például a raszagilin a GAPDH transzlokációjának megakadályozásával működik. Feltehetően a hipometabolizmus is közrejátszhat a PD-ban, de a GAPDH szerepének mechanizmusai még nem ismertek. The SNP rs3741916 in the 5' UTR of the GAPDH gene may be associated with late onset Alzheimer's disease.

Kölcsönhatások

Fehérjepartnerek

A GAPDH számos biológiai funkciója fehérje–fehérje kölcsönhatások révén történik az alábbi fehérjékkel:

• tubulin a mikrotubulus-kötéshez;
• aktin az aktinpolimerizációhoz;
• VDAC1 a mitokondriális membránpermeabilizáció (MMP) és apoptózis elindításához;
• inozit-1,4,5-triszfoszfát-receptor a sejtbeli Sablon:Chem jelzés szabályzásához;
• Oct-1 a H_2B hiszton szintéziséhez szükséges OCA-S koaktivátorkomplex képzéséhez a sejtciklus S fázisához;
• p22 a mikrotubulus-szerveződés segítéséhez;
• Rab2 az endoplazmatikus retikulum (ER)–Golgi transzport segítéséhez;
• transzferrin számos sejt felszínén és a sejtközi mátrixban;
• laktát-dehidrogenáz;
• laktoferrin;
• purin/pirimidinmentes endonukleáz (APE1), az oxidált APE1-et redukálja endonukleázaktivitásának újraindításához;
• promielocitás leukémiafehérje (PML) RNS-dependens módon;
• Rheb GTPázelválasztáshoz alacsony glükózszint mellett;
• Siah1 a maghoz való áthelyezést képző komplexhez, ahol ubikvitinnel reagál, és magi fehérjéket bont nitrozatív stressz mellett;
• A Siah fehérje GAPDH-kompetitora (GOSPEL) blokkolja a GAPDH interakcióját a Siah1-gyel, így az oxidatív stresszre válaszul történő sejthalált;
• p300/CREB-kötő fehérje, mely a GAPDH-t acetilezi, így a további apoptóziscélpontok acetilezését erősíti;
• vázizom-specifikus Sablon:Chem/kalmodulindependens fehérjekináz;
• Akt;
• β-amiloid-prekurzor protein (βAPP);
• Huntingtin.
• A GAPDH önmagával is asszociálhat homotipikus oligomerekké, aggregátumokká

Nukleinsavpartnerek

A GAPDH egyszálú RNS-hez és DNS-hez kötődhet, és számos nukleinsavpartner ismert:

• tRNS,
• Hepatitis A-vírus-RNS,
• Hepatitis B-vírus-RNS,
• Hepatitis C-vírus-RNS,
• HPIV3,
• limfokin-mRNS,
• IFN-γ-mRNS,
• JEV-mRNS és
• telomer-DNS.

Inhibitorok

• Koninginsav

Források

• Sablon:Cite book
• Sablon:Cite book
• diagram of the GAPDH reaction mechanism from Lodish MCB at NCBI bookshelf
• similar diagram from Alberts The Cell at NCBI bookshelf

További információk

• PDBe-KB – áttekintés a PDB-ben minden szerkezeti információról a humán gliceraldehid-3-foszfát-dehidrogenázzal kapcsolatban