Glukose-6-phosphat-Dehydrogenase

Glukose-6-phosphat-Dehydrogenase (G6PD, G6PDH, EC 1.1.1.49) ist ein geschwindigkeitsbestimmendes Enzym des Pentosephosphatwegs, das den Kohlenstofffluss dieses Weges steuert und an der Produktion von reduziertem NADPH (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotidphosphat) beteiligt ist. Das von G6PD katalysierte NADPH liefert nicht nur die Reduktionskraft für die Biosynthese einiger Biomakromoleküle in Zellen, sondern ist auch die einzige Reduktionskraft für die Regeneration von reduziertem Glutathion (GSH). Daher spielt G6PD eine wichtige Rolle im Prozess des Zellwiderstands gegen oxidativen Stress.

Eigenschaften und Quellen

Glukose-6-phosphat-Dehydrogenase wurde 1931 in den roten Blutkörperchen von Pferden gefunden. 1956 fanden Carson et al. heraus, dass die Hämolyse durch den Mangel an roter Blutkörperchen G6PD bei einigen Individuen verursacht wurde, und die Forscher begannen, G6PD von da an zu untersuchen. Die molekulare Masse von G6PD beträgt allgemein 113 kDa. Der isoelektrische Punkt liegt bei etwa 4,6, und der optimale pH-Wert beträgt 7,8. G6PD ist weit verbreitet in Eukaryoten und Prokaryoten und liefert Wasserstoffdonoren für die Synthese von Purinen, Pyrimidinen und aromatischen Aminosäuren über den Pentosephosphatweg.

Struktur

Bis heute wurden über 150 verschiedene menschliche G6PD-Mutanten mit einem Spektrum klinischer Schwere identifiziert. Menschliches G6PD enthält etwa 978 Aminosäurereste. Menschliches G6PD hat die NADP⁺-Stellen mit einer `Rossmann-Faltung' Coenzym-Bindungsdomäne und einer β+α-Domäne, die die Dimeroberfläche bildet (Abb. 1). Das menschliche G6PD-Tetramer hat 222 Symmetrie. Die Tetrameroberfläche ist klein und die Wechselwirkungen sind hauptsächlich elektrostatisch. Strukturelles NADP+ wurde in der β+α-Domäne von G6PD zwischen dem C-Terminus und dem β-Faltblatt gefunden.

Abbildung 1. Das menschliche G6PD_Canton Dimer. Helices und Faltblattstränge der A-Untereinheit sind in Rot und Grün dargestellt,
und jedes der in der G6PD_Canton Struktur identifizierten Sekundärstrukturelemente ist beschriftet.
(Kotaka, et al. 2005)

Pentosephosphatweg

Der Pentosephosphatweg ist ein wichtiger Weg des Glukosestoffwechsels bei Organismen, insbesondere bei Pflanzen, und seine Hauptphysiologische Funktion besteht darin, NADPH bereitzustellen, das für die Produktion von reduzierter Biosynthese erforderlich ist, sowie einige Zwischenprodukte für die Synthese von Phosphopentosen, Aminosäuren und Fettsäuren für den Nukleinsäurestoffwechsel.

Insbesondere in roten Blutkörperchen ist der Pentosephosphatweg die einzige Quelle für NADPH. Der Abwehrmechanismus gegen oxidative Schäden ist stark von der G6PD-Aktivität abhängig. Daher sind die roten Blutkörperchen von Patienten mit G6PD-Mangel extrem anfällig für oxidativen Stress. Das antioxidative System des Körpers umfasst hauptsächlich Katalase, Superoxiddismutase und Glutathion. Obwohl alle antioxidativen Systeme wichtig für das Überleben der Zellen sind, spielt G6PD eine einzigartige Rolle. Erstens haben die Glutathion- und Thiooxidreduktionssysteme wichtige antioxidative Funktionen in Zellen, und NADPH ist ein essentielles Substrat für beide Systeme, um oxidiertes Glutathion und Thiooxin in ihre reduzierte Form umzuwandeln. Daher spielt es eine antioxidative Rolle. Zweitens ist Katalase ein weiteres wichtiges antioxidatives Enzym in Zellen, das Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff umwandelt. Dieser Prozess erfordert kein NADPH, aber es gibt spezifische NADPH-Bindungsstellen auf der Katalase. NADPH hat einen allosterischen Effekt, und die Bindung hält die Katalase in einem aktivierten Zustand. Obwohl es andere Quellen für die intrazelluläre NADPH-Synthese gibt, wurde festgestellt, dass G6PD der wichtigste Weg ist, der von großer Bedeutung für die normale Funktion des antioxidativen Systems und das Überleben der Zellen ist. Daher wird die verringerte Aktivität von G6PD und der verringerte NADPH-Spiegel die normale Funktion dieser antioxidativen Systeme direkt beeinträchtigen, was zu Schäden an Zellen und Organen führt.

Unterdessen spielt es auch eine sehr wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des REDOX-Gleichgewichts von Pflanzenzellen. Die erste irreversible Oxidationsreaktion von G6PD im katalytischen Pentosephosphatweg ist das Schlüsselenzym (Abb. 2). Bei Tieren ist G6PDH mit dem X-Chromosom verbunden, und sein Mangel kann zu Stoffwechselstörungen der roten Blutkörperchen, Blockaden der retinalen Blutgefäße, Ketose usw. führen. In schweren Fällen kann es lebensbedrohlich sein. Seine Überexpression kann zu abnormalem Lipidstoffwechsel im menschlichen Körper führen, kann jedoch die Lebensdauer von Fruchtfliegen erhöhen. In Pflanzen haben viele Forscher ihre Beziehung zum Pflanzenwachstum und zur -entwicklung sowie zu verschiedenen Umweltstressoren untersucht, um den Pentosephosphatweg und die möglichen physiologischen Funktionen dieses Enzyms zu erläutern.

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

Mehrere Krankheiten im Zusammenhang mit G6PD

• Diabetes

Epidemiologische Daten deuten darauf hin, dass G6PD-Mangel ein Risikofaktor für Diabetes sein kann. In einigen Populationen ergab das systematische Screening der G6PD-Aktivität einen Anstieg der Inzidenz von G6PD-Mangel bei Patienten mit Zuckerkrankheit im Vergleich zur Allgemeinbevölkerung. Patienten mit G6PD-Mangel haben ein erhöhtes Risiko für Hämolyse im Falle von Diabetes, was weiter darauf hindeutet, dass G6PD eine wichtige Rolle bei der Entwicklung und dem Fortschreiten von Diabetes spielen kann.

• Katarakt

Als eine der Hauptursachen für Blindheit wird angenommen, dass oxidativer Stress und osmotischer Druck mit der Pathogenese des Katarakts in Zusammenhang stehen. Chandrasena et al. fanden heraus, dass der Spiegel von reduziertem Glutathion (GSH) und G6PD bei älteren Kataraktpatienten signifikant niedriger war als bei nicht betroffenen Personen, und das Risiko für ältere Katarakte war mit verringerten G6PD- und GSH-Spiegeln verbunden.

• Insulinproduzierende Fibroblasten

Viele Studien haben gezeigt, dass die Inselozyten aufgrund der geringen Expression des antioxidativen Enzyms des Zytokins selbst sehr empfindlich gegenüber oxidativen Schäden sind. Hyperglykämie-vermittelte Erhöhungen von ROS und niedrige Spiegel der antioxidativen Enzyme der Inselozyten selbst führen zu einer Überempfindlichkeit des Zytokins gegenüber den schädlichen Auswirkungen der ROS-Akkumulation.

• Niere

Studien haben gezeigt, dass hoher Blutzucker zu einer erhöhten ROS-Akkumulation in verschiedenen Zelltypen bei Diabetikern führt. Hyperglykämie kann den zyklischen Adenosinphosphat erhöhen, indem die Aktivität der Adenylatcyclase erhöht wird, was zu einer erhöhten Protein-Kinase-A-Aktivität und G6PD-Phosphorylierung führt, wodurch die G6PD-Aktivität gehemmt und NADPH reduziert wird, was zu einer übermäßigen ROS-Akkumulation und verstärktem oxidativen Stress führt.

Referenzen