GDH

Viele Mikroorganismen nutzen Glycerin als Kohlenstoffquelle durch gekoppelte oxidative und reduktive Wege unter anaeroben Bedingungen. Glycerin-Dehydrogenase (Glycerin:NAD⁺ 2-Oxidoreduktase, GlyDH, GDH, EC 1.1.1.6) ist ein Enzym, das die Dehydrierung von Glycerin katalysiert, um Dihydroxyaceton (1,3-Dihydroxypropanon) zu bilden, wobei NAD⁺ zu NADH reduziert wird. Das Dihydroxyaceton wird dann von Dihydroxyaceton-Kinase phosphoryliert und tritt in den glykolytischen Weg zur weiteren Abbau ein.

Klassifikation

Glycerin-Dehydrogenasen sind Mitglieder einer vielfältigen Gruppe von Polyol-Dehydrogenasen. Polyol-Dehydrogenasen können in drei Proteinfamilien klassifiziert werden. Die erste Familie sind die Zn²⁺-abhängigen, „mittelkettigen“ Alkohol-Dehydrogenasen, die alle eine Untereinheit von etwa 400 Resten haben, darunter Pferdeleber-Alkohol-Dehydrogenase und menschliche β1β1-Alkohol-Dehydrogenase. Die zweite Familie besteht aus den „kurzkettigen“ Enzymen, basierend auf einer Untereinheit von etwa 250 Resten, einschließlich Alkohol-Dehydrogenasen aus Drosophila, Ribitol-Dehydrogenasen, Säugetier 11β- und 17β-Hydroxysteroid-Dehydrogenasen und β-Ketoreduktase. Die dritte Familie sind die „eisenhaltigen“ Alkohol- und Glycerin-Dehydrogenasen, die Polyol-Dehydrogenasen umfassen, die aus Bakterien und Hefen isoliert wurden. Enzyme dieser Familie scheinen ein zweiwertiges Metallion für die Katalyse zu benötigen und unterscheiden sich von der Familie der mittelkettigen Polyol-Dehydrogenasen, die ebenfalls ein zweiwertiges Metallion benötigt.

Struktur

Die Untereinheit der Glycerin-Dehydrogenase hat ungefähre Abmessungen von 60 × 40 × 40 Å und besteht aus einer einzelnen Polypeptidkette von 370 Resten. Die N-terminale α/β-Domäne besteht aus einem parallelen 6-strängigen β-Faltblatt, flankiert von 4 α-Helices und einem zusätzlichen β-Strang (β1). Alle β-Stränge sind über α-Helices verbunden, mit Ausnahme der Stränge β6 und β9, die durch eine β-Haarspange (Stränge β7, β8) getrennt sind. Die C-terminale Domäne umfasst zwei Subdomänen, die jeweils aus einem Bündel von α-Helices bestehen. Die Helices α6, α7 und α8 bilden ein langes antiparalleles Auf-und-Ab-Helixbündel mit einer linkshändigen superhelikalen Drehung von etwa 60° um die gemeinsame Achse des Bündels. Die Helices α9–α14 bilden ein antiparalleles griechisches Schlüssel-Helixbündel, das aus den Helices α9, α10, α11, α13 und α14 besteht.

Abbildung 1. Die GlyDH-Untereinheit von B. stearothermophilus. (Ruzheinikov S N. et al. 2001)

Die Analyse der Struktur zeigt, dass eine tiefe Spalte zwischen den N- und C-terminalen Domänen gebildet wird, wobei das griechische Schlüssel-Helixbündel und die N-terminale Domäne gegenüberliegende Flächen der Spalte bilden und das α6–α8-Bündel den Boden der Spalte bildet. Das Zn²⁺-Ion ist tief in der Spalte gebunden und ist tetrahedral koordiniert durch Ion-Dipol-Interaktion mit den Aminosäureresten Asp173, His256 und His274 sowie einem Wassermolekül.

Mechanismus

Glycerin-Dehydrogenasen katalysieren die chemische Reaktion: Glycerin + NAD⁺ « Glyceron + NADH + H⁺. Während der genaue Mechanismus des Enzyms noch nicht charakterisiert wurde, unterstützen kinetische Studien, dass die Katalyse mit der anderer Alkohol-Dehydrogenasen vergleichbar ist. Nachdem NAD⁺ an das Enzym gebunden ist, bindet das Glycerin-Substrat an die aktive Stelle, sodass zwei koordinierte Wechselwirkungen zwischen zwei benachbarten Hydroxylgruppen und dem benachbarten Zinkion entstehen. GlyDH katalysiert dann die basenunterstützte Deprotonierung der C2-Hydroxylgruppe, wodurch ein Alkoxid entsteht. Das Zinkatom dient zudem dazu, die negative Ladung des Alkoxid-Intermediats zu stabilisieren, bevor die überschüssige Elektronendichte um das geladene Sauerstoffatom verschiebt, um eine Doppelbindung mit dem C2-Kohlenstoffatom zu bilden. Hydrid wird anschließend vom sekundären Kohlenstoff entfernt und wirkt als Nucleophil beim Elektronentransfer zum NAD⁺-Nicotinamidring. Infolgedessen wird das H⁺, das von der Base entfernt wurde, als Proton in die umgebende Lösung freigesetzt; gefolgt von der Freisetzung des Produkts Glyceron und dann NADH durch GlyDH.

Abbildung 2. Mechanismus der Glycerin-Dehydrogenase.

Industrielle Anwendung

Glycerin wird in vielen Industrien häufig verwendet, wie z.B. in der Pharma-, Lebensmittel- und Kosmetikindustrie. Die Bildung von Rohglycerin hat zugenommen als Nebenprodukt der steigenden Biodieselproduktion. Daher war es teuer, Rohglycerin zu reinigen und zu nutzen, mit der erhöhten Produktion in diesen Industrien. Forscher der Biotechnologie sind daran interessiert, neue wirtschaftliche Wege zu finden, um minderwertige Glycerinprodukte zu nutzen. Als Katalysator für die Umwandlung von Glycerin zu Glyceron ist Glycerin-Dehydrogenase ein solches Enzym, das für diesen industriellen Zweck untersucht wird.

Referenz