GPDH

Glycerol-3-phosphat-Dehydrogenase (GPDH) ist ein Enzym, das reversibel die Reduktion von Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) aus dem glykolytischen Weg zu Glycerol-3-phosphat katalysiert, das für die Lipidbiosynthese wichtig ist. GPDH wurde zuvor als Alpha-Glycerol-3-phosphat-Dehydrogenase (alphaGPDH) und Glycerolphosphat-Dehydrogenase bezeichnet. GPDH wird auch als DHAP-Reduktase in Algen und höheren Pflanzen bezeichnet, da es spezifisch mit Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NADH) und DHAP als Substraten reagiert. GPDH fungiert als Hauptverbindung zwischen dem Kohlenhydratstoffwechsel und dem Lipidstoffwechsel und leistet auch bedeutende Beiträge zur Elektronentransportkette in den Mitochondrien.

Struktur

Glycerol-3-phosphat-Dehydrogenase enthält zwei Proteindomänen, wobei die N-terminale Domäne für die NAD-Bindung verantwortlich ist und der C-Terminus als Substrat-bindendes Fragment dient. Dimer- und Tetramer-Oberflächenreste sind jedoch mit der Bindung von Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH)-RNA assoziiert, da GAPDH mehrere Moonlighting-Aktivitäten zeigt, einschließlich der Modulation der RNA-Bindung und/oder Stabilität.

Varianten von GPDH

Es gibt zwei Formen von GPDH: GPD1 und GPD2.

a. GPD1

Zytosolische Glycerol-3-phosphat-Dehydrogenase (GPD1) besteht aus zwei Untereinheiten und ist ein NAD⁺-abhängiges Enzym, das die Reduktion von Dihydroxyacetonphosphat zu Glycerol-3-phosphat durchführt. Gleichzeitig wird NADH in der folgenden Reaktion zu NAD⁺ oxidiert. Folglich wird NAD⁺ für weitere metabolische Aktivitäten regeneriert.

Abbildung 1. GPD1-Reaktionsmechanismus.

b. GPD2

Mitochondriale Glycerol-3-phosphat-Dehydrogenase (GPD2) besteht aus 4 identischen Untereinheiten und kann die irreversible Oxidation von Glycerol-3-phosphat zu Dihydroxyacetonphosphat katalysieren. Gleichzeitig werden zwei Elektronen von Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) an die Elektronentransportkette übertragen.

Studien haben gezeigt, dass GPDH größtenteils frei von den Einflüssen von pH-Änderungen ist. Die Aktivität von GPD1 und GPD2 ist unter bestimmten pH-Bedingungen gering. Hohe Salzkonzentrationen führen zur Ansammlung von Glycerol, was zu einem höheren Anstieg der GPD1-Aktivität im Vergleich zu GPD2 führt. Temperaturänderungen scheinen GPD1 und GPD2 nicht zu unterstützen.

Abbildung 2. GPD2-Reaktionsmechanismus.

Glycerol-3-phosphat Shuttle

Die zytosolische GPDH und die mitochondriale GPDH arbeiten zusammen. Die Oxidation von zytoplasmatischem NADH durch das zytosolische Enzym produziert Glycerol-3-phosphat aus Dihydroxyacetonphosphat. Nachdem es durch die innere Mitochondrienmembran gelangt ist, kann Glycerol-3-phosphat dann von einer separaten Isoform der GPDH oxidiert werden, die Chinon als Oxidationsmittel und FAD als Cofaktor verwendet. Dementsprechend tritt ein Nettoverlust an Energie auf, vergleichbar mit einem Molekül ATP. Die kombinierte Wirkung dieser Enzyme hält das NAD⁺/NADH-Verhältnis stabil, was einen kontinuierlichen Betrieb des Stoffwechsels ermöglicht.

Reaktion

Das NAD⁺/NADH-Coenzym-Paar ist ein Elektronenreservoir, um Elektronen von einer metabolischen Redoxreaktion zur anderen zu transportieren, von denen die meisten in den Mitochondrien stattfinden. Um NAD⁺ für die weitere Verwendung zu regenerieren, muss das im Zytosol vorhandene NADH reoxidiert werden. Die innere Mitochondrienmembran ist für sowohl NADH als auch NAD⁺ undurchlässig, sodass sie nicht frei zwischen dem Zytosol und der mitochondrialen Matrix ausgetauscht werden können. Glycerol-3-phosphat ist ein wichtiges Werkzeug, um dieses Reduktionsäquivalent durch die Membran zu transportieren, indem die beiden Formen von GPDH verwendet werden. Die zytosolische GPDH (GPD1), die im inneren mitochondrialen Raum oder Zytosol lokalisiert ist, könnte die Reduktion von Dihydroxyacetonphosphat zu Glycerol-3-phosphat katalysieren. Gemeinsam beschleunigt die mitochondriale GPDH (GPD2), die an der äußeren Oberfläche der inneren Mitochondrienmembran, weit entfernt vom Zytosol, eingebettet ist, die Oxidation von Glycerol-3-phosphat zu Dihydroxyacetonphosphat. Die von der zytosolischen (löslichen) und mitochondrialen GPDH katalysierten Reaktionen sind unten dargestellt:

Abbildung 3. Koppelte Reaktionen, die von GPD1 und GPD2 katalysiert werden. (Kota V; et al. 2010)

Stoffwechsel-Funktion

GPDH ist von großer Bedeutung für die Lipidbiosynthese. GPDH ermöglicht eine schnelle Dephosphorylierung von Glycerol-3-phosphat zu Glycerol durch die Reduktion von Dihydroxyacetonphosphat zu Glycerol-3-phosphat. Darüber hinaus ist GPDH eines der Enzyme, die an der Aufrechterhaltung des Redoxpotentials über die innere Mitochondrienmembran beteiligt sind.

Rolle bei Krankheiten

Die grundlegenden Rollen von GPDH bei der Aufrechterhaltung des NAD⁺/NADH-Potentials und des Lipidstoffwechsels ermöglichen GPDH einen Beitrag zu Krankheiten mit Lipidungleichgewicht, wie Fettleibigkeit. Eine Erhöhung der GPDH-Aktivität, insbesondere von GPD2, könnte zu einem Anstieg der Glycerolproduktion führen. Die Fülle an Glycerol kann leicht einen Anstieg der Triglyceridansammlung auf zellulärer Ebene initiieren, was eine Tendenz zur Bildung von Fettgewebe mit einer Ansammlung von Fett begünstigt, die Fettleibigkeit fördert. GPDH war auch an dem Brugada-Syndrom beteiligt. Mutationen im Gen, das GPD1 kodiert, könnten Defekte in der Elektronentransportkette induzieren. Dieser Konflikt mit den NAD⁺/NADH-Spiegeln in der Zelle wird als Ursache für Defizite in der Regulation des kardialen Natriumionenkanals angesehen und kann zu einer tödlichen Arrhythmie im Säuglingsalter führen.

Referenz