SDH

Sorbitdehydrogenase (SDH) ist ein zytosolisches Enzym, das beim Menschen durch das SORD-Gen kodiert wird und zur Proteinfamilie der Dehydrogenasen/Reduktasen mit mittlerer Kettenlänge gehört. SDH kann im Kohlenhydratstoffwechsel Sorbitol, die Zuckeralkoholform von Glukose, unter Verwendung von NAD⁺ als Kofaktor – gemeinsam mit der Aldosereduktase – zu Fruktose umsetzen. Sie trägt zu einem Stoffwechselweg bei, über den der Körper Fruktose aus Glukose ohne Beteiligung von ATP bildet; dies stellt einen wesentlichen Bypass zur Glykolyse im Glukosestoffwechsel dar und gilt als wichtiger Faktor bei der Entstehung diabetischer Komplikationen. Da Sorbitol nur schwer aus den Zellen diffundiert und seine Oxidation zu Fruktose langsam verläuft, führt die durch Hyperglykämie bedingte Sorbitolakkumulation nicht nur zu einem Anstieg des intrazellulären osmotischen Drucks und damit zu Zellschwellung, sondern begünstigt auch die diabetische Kataraktogenese. Die katalysierte Reaktion lautet:

Abbildung 1. Von SDH katalysierte Reaktion.

wobei Zn²⁺ ebenfalls an der Katalyse beteiligt ist. SDH ist zudem in der Lage, verschiedene Polyole und andere sekundäre Alkohole zu den entsprechenden Ketonen zu oxidieren. SDH wird nahezu ubiquitär in Organismen von Bakterien bis zum Menschen exprimiert und wird am häufigsten in Leber und Samenblase genutzt. SDH weist jedoch eine labile Aktivität und eine kurze Halbwertszeit auf. Daher ist ihre praktische Anwendbarkeit eingeschränkt, und Analysen müssen zeitnah durchgeführt werden.

Struktur

Zur Bestimmung der Struktur der humanen SDH wurden Kristallisationsexperimente und Röntgenbeugung mit einer Auflösung von 2,20 Å durchgeführt. Das Enzym besteht aus vier identischen Ketten (A, B, C und D). Jede Kette weist einen Helixanteil von 31 % mit 14 Helices sowie einen Beta-Faltblattanteil von 26 % mit 23 Strängen auf und umfasst 356 Aminosäurereste sowie ein katalytisches Zentrum. Gemäß der MolProbity-Ramachandran-Analyse befinden sich 97,1 % aller Reste in bevorzugten Regionen und 100,0 % aller Reste in erlaubten Regionen, ohne Ausreißer. Die katalytischen Zentren umfassen hydrophile Seitenketten von Serin- und Histidinresten und erfordern für die katalytische Aktivität das Vorhandensein von NAD⁺ und eines Zinkions. In Bezug auf das konservierte Zinkbindemotiv und die hydrophobe Substratbindetasche wurde zudem gezeigt, dass SDH strukturell homolog zur Säugetier-Alkoholdehydrogenase ist. Kürzlich wurde festgestellt, dass trotz der allgemeinen 3D-Strukturähnlichkeit zwischen SDH und Alkoholdehydrogenase die Zinkkoordination in den aktiven Zentren der beiden Enzyme unterschiedlich ist. Die verfügbaren strukturellen und biochemischen Daten zu SDH werden in einem struktur-basierten Ansatz zur Entwicklung von Arzneimitteln zur Prävention oder Behandlung diabetischer Komplikationen genutzt.

Untereinheitsinteraktionen in SDH

Die nichtkovalenten Wechselwirkungen zwischen den Untereinheiten der SDH können ein Tetramer bilden und umfassen hydrophobe Effekte, Wasserstoffbrückenbindungen sowie elektrostatische Interaktionen zwischen den vier identischen Untereinheiten. Für das homotetramere Protein SDH wird angenommen, dass sich die Struktur evolutionär von einem Monomer über ein Dimer hin zu einer tetrameren quartären Proteinstruktur entwickelt hat. Verschiedene Methoden wie Proteinsequenz-Alignments, Strukturvergleiche, Energieberechnungen, Gelfiltrationsexperimente sowie Enzymkinetik-Experimente haben gezeigt, dass ein Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk zwischen den Untereinheiten für die Stabilität der tetrameren Struktur wichtig ist. Der allgemeine Bindungsprozess in SDH ohne Energiegewinn kann über die Assoziations- und Dissoziationsraten zwischen den Untereinheiten bestimmt werden. Das SDH-Protein steht in enger evolutionärer Beziehung zur Alkoholdehydrogenase. Sowohl die SDH der Silberblatt-Weißen Fliege als auch die Alkoholdehydrogenase aus Hefe weisen keine strukturelle Zinkbindestelle auf und teilen eine tetramere quartäre Struktur. Somit zeigen die beiden Proteinklassen aus struktureller Sicht eine enge evolutionäre Verwandtschaft.

Abbildung 2. Zusammenbau der vier Untereinheiten (A, B, C und D) in SDH

Funktionen

Eine der Hauptanwendungen von SDH besteht darin, den Metabolismus von mit der Nahrung aufgenommenem Sorbitol zu unterstützen, was insbesondere für die Funktion verschiedener Organe im Körper relevant ist, obwohl Sorbitol in der Ernährung üblicherweise nur in geringen Mengen vorkommt und im Darm nicht so gut resorbiert wird wie die verwandten Verbindungen Glukose und Fruktose. Im Polyolweg von Glukose zu Fruktose (Glykolyse) fördert die Aldosereduktase die Umwandlung von Glukose zu Sorbitol unter gleichzeitiger Oxidation von NADPH zu NADP⁺, und SDH erleichtert die Oxidation von Sorbitol zu Fruktose unter gleichzeitiger Reduktion von NAD⁺ zu NADH. Der Sorbitolweg ist bedeutsam, da er keinen Energieeintrag in Form von ATP erfordert. Ein Überschuss an Glukose führt zur Depletion von NADPH, einem essenziellen Kofaktor bei der Bildung von Glutathion.

Abbildung 3. Ein Polyolweg unter Beteiligung von SDH. (El-Kabbani O; et al. 2004)

Bei unkontrolliertem Diabetes gelangen große Mengen an Glukose in Gewebe, in denen SDH nur gering exprimiert wird oder fehlt, wie Retina, Linse, Niere und Nervenzellen, und werden dort durch die Aldosereduktase zu Sorbitol katalysiert. Dies führt zur Akkumulation von Sorbitol und in der Folge aufgrund des erhöhten osmotischen Drucks zu einem Wassereinstrom in die Zelle, wodurch die Gewebefunktion beeinträchtigt wird. Symptome wie Retinopathie, Kataraktbildung, Nephropathie und periphere Neuropathie, die bei Diabetes beobachtet werden, werden teilweise durch dieses Phänomen ausgelöst. Daher wächst das Interesse an SDH aufgrund ihrer Beteiligung an der Entwicklung diabetischer Komplikationen; entsprechend kann die Erforschung von Arzneimitteln zur Behandlung von Diabetes durch ihre Tertiärstruktur unterstützt werden. SDH wird in der klinischen Chemie mitunter als Biomarker in Panels zur Beurteilung hepatozellulärer Toxizität eingesetzt und gilt allgemein als überwiegend leberspezifisch.

Referenz