SDH

Sorbitol-Dehydrogenase (SDH) ist ein zytosolisches Enzym, das im Menschen durch das SORD-Gen kodiert wird und zur Familie der mittelketten Dehydrogenasen/Reduktasen gehört. SDH kann Sorbitol, die Zuckeralkoholform von Glukose, in Fruktose im Kohlenhydratstoffwechsel mit NAD⁺ als Cofaktor und zusammen mit Aldose-Reduktase umwandeln. Es trägt zu dem Weg bei, durch den der Körper Fruktose aus Glukose ohne die Beteiligung von ATP produziert, was einen entscheidenden Umgehungsweg zur Glykolyse für den Glukosestoffwechsel darstellt und als wichtig für die Entwicklung diabetischer Komplikationen angesehen wird. Da Sorbitol Schwierigkeiten hat, aus den Zellen zu diffundieren, und sein Oxidationsprozess zu Fruktose langsam ist, führt die Ansammlung von Sorbitol aufgrund von Hyperglykämie nicht nur zu einem Anstieg des intrazellulären osmotischen Drucks und fördert somit die Zellschwellung, sondern führt auch zur diabetischen Kataraktogenese. Die katalysierte Reaktion ist:

Abbildung 1. Katalysierte Reaktion von SDH.

wobei Zn²⁺ ebenfalls an der Katalyse beteiligt ist. SDH ist auch in der Lage, verschiedene Polyole und andere sekundäre Alkohole in ihre entsprechenden Ketone zu oxidieren. SDH wird fast ubiquitär in allen Arten von Organismen von Bakterien bis Menschen exprimiert und wird am häufigsten von der Leber und den Samenblasen verwendet. Allerdings besitzt SDH eine labile Aktivität und hat eine kurze Halbwertszeit. Daher ist ihre Nützlichkeit begrenzt und ihre Analyse muss umgehend durchgeführt werden.

Struktur

Kristallisationsexperimente und Röntgenbeugung mit einer Auflösung von 2,20 Å wurden durchgeführt, um die Struktur der menschlichen SDH zu bestimmen, die aus vier identischen Ketten A, B, C und D besteht. Jede von ihnen ist zu 31 % helikal mit 14 Helices und zu 26 % beta-faltig mit 23 Strängen und hat 356 Reste und eine katalytische Stelle. Laut der MolProbity Ramachandran-Analyse wurde festgestellt, dass 97,1 % aller Reste in begünstigten Regionen und 100,0 % aller Reste in erlaubten Regionen liegen, ohne Ausreißer. Die katalytischen Stellen decken hydrophile Seitenketten von Serin- und Histidinresten ab, die die Anwesenheit von NAD⁺ und einem Zinkion für die katalytische Aktivität erfordern. In Bezug auf das konservierte Zinkbindungsmotiv und die hydrophobe Substratbindetasche wurde auch gezeigt, dass SDH strukturell homolog zu der alkoholischen Dehydrogenase von Säugetieren ist. Kürzlich wurde festgestellt, dass trotz der allgemeinen 3D-strukturellen Ähnlichkeit zwischen SDH und alkoholischer Dehydrogenase die Zinkkoordination in den aktiven Stellen der beiden Enzyme unterschiedlich ist. Die verfügbaren strukturellen und biochemischen Daten von SDH werden in einem struktur-basierten Ansatz zur Entwicklung von Medikamenten zur Prävention oder Behandlung von diabetischen Komplikationen verwendet.

Interaktionen der Untereinheiten in SDH

Die nicht-kovalenten Wechselwirkungen zwischen den Untereinheiten von SDH können ein Tetramer bilden und bestehen aus einem hydrophoben Effekt, Wasserstoffbrückenbindungen und elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den vier identischen Untereinheiten. Für das homotetramere Protein SDH wird die Struktur als Entwicklung von einem Monomer zu einem Dimer und schließlich zu einer tetrameren quartären Proteinstruktur betrachtet. Verschiedene Methoden wie Proteinsequenzvergleiche, strukturelle Vergleiche, Energieberechnungen, Gel-Filtrations-Experimente und Enzymkinetik-Experimente haben gezeigt, dass ein Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk zwischen den Untereinheiten wichtig für die Stabilität der tetrameren Struktur ist. Der allgemeine Bindungsprozess in SDH ohne Energiezufuhr kann durch die Assoziations- und Dissoziationsrate zwischen den Untereinheiten bestimmt werden. Das SDH-Protein hat eine enge evolutionäre Beziehung zur alkoholischen Dehydrogenase. Sowohl das SDH von der Silberblatt-Weißen Fliege als auch die alkoholische Dehydrogenase von Hefe haben keinen strukturellen Zinkstandort und teilen sich eine tetramere quartäre Struktur. Daher zeigen die beiden Proteinarten aus struktureller Sicht eine enge evolutionäre Beziehung.

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

Funktionen

Eine der Hauptanwendungen von SDH besteht darin, den Stoffwechsel von diätetischem Sorbitol zu unterstützen, was besonders wichtig für die Funktion verschiedener Organe im Körper ist, obwohl Sorbitol normalerweise in recht geringen Mengen in der Ernährung vorkommt und im Darm nicht so gut absorbiert wird wie seine verwandten Verbindungen Glukose und Fruktose. Im Polyolweg von Glukose zu Fruktose (Glykolyse) fördert Aldose-Reduktase die Umwandlung von Glukose in Sorbitol, begleitet von der Oxidation von NADPH zu NADP⁺, und SDH erleichtert die Oxidation von Sorbitol zu Fruktose zusammen mit der Reduktion von NAD⁺ zu NADH. Der Sorbitolweg ist bedeutend, da er keinen Energieaufwand in Form von ATP erfordert. Übermäßige Glukose führt zur Erschöpfung von NADPH, einem essentiellen Cofaktor in der Produktion von Glutathion.

Abbildung 3. Ein Polyolweg, der SDH einbezieht. (El-Kabbani O; et al. 2004)

Bei unkontrolliertem Diabetes gelangen große Mengen Glukose in Gewebe, in denen SDH niedrig oder nicht vorhanden ist, wie in der Netzhaut, der Linse, den Nieren und Nervenzellen, und werden dann von Aldose-Reduktase in Sorbitol katalysiert, was zur Ansammlung von Sorbitol führt und weiter dazu, dass Wasser aufgrund des erhöhten osmotischen Drucks in die Zelle gezogen wird, wodurch die Gewebefunktion beeinträchtigt wird. Symptome wie Retinopathie, Kataraktbildung, Nephropathie und periphere Neuropathie, die bei Diabetes beobachtet werden, werden teilweise durch dieses Phänomen induziert. Daher gibt es ein wachsendes Interesse an SDH aufgrund seiner Bedeutung für die Entwicklung diabetischer Komplikationen, und entsprechend könnte die Erforschung von Medikamenten zur Behandlung von Diabetes durch seine tertiäre Struktur erleichtert werden. SDH wird manchmal als Biomarker in klinischen Chemie-Panels für hepatotoxische Wirkungen einbezogen und gilt allgemein als hauptsächlich leberspezifisch.

Referenz