Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase

Glukose-6-phosphat-Dehydrogenase (G6PD, G6PDH, EC 1.1.1.49) ist ein geschwindigkeitsbestimmendes Enzym des Pentosephosphatwegs. Sie steuert den Kohlenstofffluss dieses Stoffwechselwegs und ist an der Bildung von reduziertem NADPH (Nicotinamidadenindinukleotidphosphat) beteiligt. Das durch G6PD gebildete NADPH liefert nicht nur die Reduktionsäquivalente für die Biosynthese bestimmter Biomakromoleküle in Zellen, sondern stellt auch die einzige Reduktionskraft für die Regeneration von reduziertem Glutathion (GSH) dar. Daher spielt G6PD eine wesentliche Rolle bei der zellulären Resistenz gegenüber oxidativem Stress.

Eigenschaften und Quellen

Glukose-6-phosphat-Dehydrogenase wurde 1931 in den Erythrozyten des Pferdes nachgewiesen. 1956 zeigten Carson et al., dass Hämolysen bei einigen Personen durch einen Mangel an erythrozytärer G6PD verursacht werden; seither wurde G6PD intensiv untersucht. Die Molekülmasse von G6PD beträgt in der Regel 113 kDa. Der isoelektrische Punkt liegt bei etwa 4,6, der pH-Optimumwert bei 7,8. G6PD ist in Eukaryoten und Prokaryoten weit verbreitet und liefert über den Pentosephosphatweg Wasserstoffdonoren für die Synthese von Purinen, Pyrimidinen und aromatischen Aminosäuren.

Struktur

Bis heute wurden über 150 unterschiedliche humane G6PD-Mutanten mit einem Spektrum klinischer Schweregrade identifiziert. Die humane G6PD umfasst etwa 978 Aminosäurereste. Humane G6PD besitzt NADP⁺-Bindungsstellen mit einer „Rossmann-Fold“-Coenzym-Bindungsdomäne sowie eine β+α-Domäne, die die Dimer-Grenzfläche bildet (Abb. 1). Das humane G6PD-Tetramer weist eine 222-Symmetrie auf. Die Tetramer-Grenzfläche ist klein, und die Interaktionen sind überwiegend elektrostatischer Natur. Strukturelles NADP+ bindet in der β+α-Domäne von G6PD zwischen dem C-Terminus und dem β-Faltblatt.

Abbildung 1. Das humane G6PD_Canton-Dimer. Helices und β-Stränge der A‑Untereinheit sind in Rot bzw. Grün dargestellt,
und jedes in der G6PD_Canton-Struktur identifizierte Sekundärstrukturelement ist beschriftet.
(Kotaka, et al. 2005)

Pentosephosphatweg

Der Pentosephosphatweg ist ein wichtiger Stoffwechselweg des Glukosemetabolismus in Organismen, insbesondere in Pflanzen. Seine wesentliche physiologische Funktion besteht in der Bereitstellung von NADPH, das für reduktive Biosyntheseprozesse erforderlich ist, sowie von Intermediaten für die Synthese von Phosphopentosen, Aminosäuren und Fettsäuren im Rahmen des Nukleinsäurestoffwechsels.

Insbesondere in Erythrozyten ist der Pentosephosphatweg die einzige Quelle für NADPH. Der Schutzmechanismus gegen oxidative Schädigung ist in hohem Maße von der G6PD-Aktivität abhängig. Daher sind Erythrozyten von Patienten mit G6PD-Mangel äußerst anfällig für oxidativen Stress. Das antioxidative System des Körpers umfasst hauptsächlich Katalase, Superoxiddismutase und Glutathion. Obwohl alle antioxidativen Systeme für das Überleben der Zelle wichtig sind, kommt G6PD eine besondere Rolle zu. Erstens besitzen das Glutathion- und das Thioredoxin-Reduktionssystem wesentliche antioxidative Funktionen in Zellen, und NADPH ist ein essenzielles Substrat, damit beide Systeme oxidiertes Glutathion bzw. Thioredoxin in ihre reduzierten Formen überführen können. Dadurch wird eine antioxidative Wirkung vermittelt. Zweitens ist Katalase ein weiteres wichtiges antioxidatives Enzym in Zellen, das Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff umsetzt. Dieser Prozess erfordert kein NADPH; jedoch besitzt Katalase spezifische NADPH-Bindungsstellen. NADPH wirkt allosterisch, und die Bindung hält Katalase in einem aktivierten Zustand. Obwohl es weitere Quellen für die intrazelluläre NADPH-Synthese gibt, gilt G6PD als der wichtigste Weg und ist von großer Bedeutung für die normale Funktion des antioxidativen Systems und das Überleben der Zelle. Folglich beeinträchtigen eine verminderte G6PD-Aktivität und ein reduzierter NADPH-Spiegel unmittelbar die normale Funktion dieser antioxidativen Systeme, was zu Zell- und Organschädigungen führen kann.

Darüber hinaus spielt G6PD eine sehr wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Redox-Gleichgewichts in Pflanzenzellen. Die erste irreversible Oxidationsreaktion der G6PD im katalytischen Pentosephosphatweg ist das zentrale regulatorische Enzym (Abb. 2). Bei Tieren ist G6PDH X‑chromosomal verknüpft; ein Mangel kann zu Stoffwechselstörungen der Erythrozyten, retinalen Gefäßverschlüssen, Ketose usw. führen. In schweren Fällen kann dies lebensbedrohlich sein. Eine Überexpression kann beim Menschen zu einem abnormalen Lipidstoffwechsel führen, kann jedoch die Lebensspanne von Fruchtfliegen verlängern. In Pflanzen untersuchen zahlreiche Forschungsgruppen den Zusammenhang mit Pflanzenwachstum und -entwicklung sowie mit verschiedenen Umweltstressoren, um den Pentosephosphatweg und die möglichen physiologischen Funktionen dieses Enzyms zu elucidieren.

Abbildung 2. Rolle der G6PDH als geschwindigkeitsbestimmender Schritt des PPP für Biosynthese und antioxidative Aktivität in höheren Pflanzen.
(Yu DQ, et al. 2012)

Mehrere mit G6PD assoziierte Erkrankungen

• Diabetes

Epidemiologische Daten deuten darauf hin, dass ein G6PD-Mangel ein Risikofaktor für Diabetes sein könnte. In einigen Populationen zeigte ein systematisches Screening der G6PD-Aktivität eine erhöhte Inzidenz des G6PD-Mangels bei Patienten mit Diabetes mellitus im Vergleich zur Allgemeinbevölkerung. Bei Patienten mit G6PD-Mangel besteht im Rahmen eines Diabetes ein erhöhtes Risiko für Hämolyse, was zusätzlich darauf hinweist, dass G6PD eine wichtige Rolle bei Entstehung und Progression des Diabetes spielen könnte.

• Katarakt

Als eine der heute wichtigsten Ursachen für Erblindung werden oxidativer Stress und osmotischer Druck mit der Pathogenese der Katarakt in Zusammenhang gebracht. Chandrasena et al. fanden, dass die Spiegel von reduziertem Glutathion (GSH) und G6PD bei seniler Katarakt signifikant niedriger waren als bei Personen ohne Katarakt; das Risiko einer senilen Katarakt war mit verminderten G6PD- und GSH-Spiegeln assoziiert.

• Inselzell-Fibroblasten

Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass Inselzellen aufgrund der geringen Expression zelleigener antioxidativer Enzyme sehr empfindlich gegenüber oxidativen Schädigungen sind. Hyperglykämiebedingte Erhöhungen reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und niedrige Spiegel der antioxidativen Enzyme der Inselzellen selbst führen zu einer Überempfindlichkeit der Zellen gegenüber den schädlichen Auswirkungen einer ROS-Akkumulation.

• Niere

Studien haben gezeigt, dass hohe Blutzuckerspiegel bei Diabetespatienten zu einer erhöhten ROS-Akkumulation in verschiedenen Zelltypen führen. Hyperglykämie kann durch gesteigerte Aktivität der Adenylatcyclase zyklisches Adenosinmonophosphat erhöhen, was zu einer erhöhten Protein-Kinase‑A‑Aktivität und zur Phosphorylierung von G6PD führt; dadurch wird die G6PD-Aktivität gehemmt und NADPH reduziert, was eine übermäßige ROS-Akkumulation und verstärkten oxidativen Stress zur Folge hat.

Literatur