Dehydrogenaza aldehydu 3-fosforanowego gliceryny
| GAPDH | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Identyfikatory | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| , GAPD, G3PD, HEL-S-162eP, dehydrogenaza gliceraldehydo-3-fosforanowa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Identyfikatory zewnętrzne | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wikidane | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dehydrogenaza 3-fosforanu aldehydu glicerynowego, | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 determinanty domeny wiążącej NAD termostabilności enzymów obserwowane w strukturze molekularnej dehydrogenazy d-gliceraldehydu-3-fosforanu termus aquaticus przy rozdzielczości 2,5 angstremów
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| Symbol | Gp_dh_N | ||||||||
| Pfam | PF00044 | ||||||||
| Klan Pfam | CL0063 | ||||||||
| InterPro | IPR020828 | ||||||||
| PROZYTA | PDOC00069 | ||||||||
| SCOP2 | 1gd1 / ZAKRES / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
 struktura krystaliczna
| |||||||||
| domeny C-końcowej dehydrogenazy 3-fosforanu gliceraldehydu z pirococcus horikoshii ot3 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Identyfikatory | |||||||||
| Symbol | Gp_dh_C | ||||||||
| Pfam | PF02800 | ||||||||
| Klan Pfam | CL0139 | ||||||||
| InterPro | IPR020829 | ||||||||
| PROZYTA | PDOC00069 | ||||||||
| SCOP2 | 1gd1 / ZAKRES / SUPFAM | ||||||||
| |||||||||
Dehydrogenaza gliceraldehydo-3-fosforanowa (w skrócie GAPDH ) ( EC 1.2.1.12 ) jest enzymem o masie około 37 kDa, który katalizuje szósty etap glikolizy , a tym samym służy do rozkładania glukozy na energię i cząsteczki węgla. Oprócz tej od dawna ustalonej funkcji metabolicznej, GAPDH był ostatnio zaangażowany w kilka procesów niemetabolicznych, w tym aktywację transkrypcji , inicjację apoptozy , przenoszenie pęcherzyków ER do Golgiego i szybkie aksonalne lub transport aksoplazmatyczny . W plemnikach dochodzi do ekspresji swoistego dla jąder izoenzymu GAPDHS .
Struktura
W normalnych warunkach komórkowych cytoplazmatyczny GAPDH występuje głównie w postaci tetrameru . Forma ta składa się z czterech identycznych podjednostek o masie 37 kDa , z których każda zawiera pojedynczą katalityczną grupę tiolową , krytyczną dla funkcji katalitycznej enzymu. Jądrowy GAPDH ma podwyższony punkt izoelektryczny (pI) przy pH 8,3–8,7. Warto zauważyć, że reszta cysteiny C152 w miejscu aktywnym enzymu jest wymagana do indukcji apoptozy przez stres oksydacyjny . Szczególnie, potranslacyjne modyfikacje cytoplazmatycznego GAPDH przyczyniają się do jego funkcji poza glikolizą.
GAPDH jest kodowany przez pojedynczy gen, który wytwarza pojedynczy transkrypt mRNA z 8 wariantami składania, chociaż izoforma istnieje jako oddzielny gen, który ulega ekspresji tylko w plemnikach .
Reakcja
| 3-fosforan aldehydu glicerynowego | dehydrogenaza fosforanowa aldehydu glicerynowego | D - glicerynian 1,3-bisfosforanu | |
|
|
||
| NAD + + P i | NADH + H + | ||
|
|||
| NAD + + P i | NADH + H + | ||
Związek C00118 w KEGG Pathway Database. Enzym 1.2.1.12 w KEGG Pathway Database. Reakcja R01063 w KEGG Pathway Database. Związek C00236 w KEGG Pathway Database.
Dwuetapowa konwersja G3P
Pierwszą reakcją jest utlenianie gliceraldehydo-3-fosforanu (G3P) w pozycji -1 (na schemacie jest to pokazane jako 4-ty węgiel z glikolizy), w którym aldehyd jest przekształcany w kwas karboksylowy (ΔG°'=- 50 kJ/mol (-12kcal/mol)), a NAD+ jest jednocześnie redukowany endergonicznie do NADH.
Energia uwolniona w wyniku tej wysoce egzergonicznej reakcji utleniania napędza drugą reakcję endergoniczną (ΔG°'=+50 kJ/mol (+12kcal/mol)), w której cząsteczka nieorganicznego fosforanu jest przenoszona do półproduktu GAP, tworząc produkt o wysoki potencjał przenoszenia fosforylu: 1,3-bisfosfoglicerynian (1,3-BPG).
Jest to przykład fosforylacji połączonej z utlenianiem, a ogólna reakcja jest nieco endergoniczna (ΔG°'=+6,3 kJ/mol (+1,5)). Sprzężenie energii jest tutaj możliwe dzięki GAPDH.
Mechanizm
GAPDH wykorzystuje katalizę kowalencyjną i ogólną katalizę zasadową, aby zmniejszyć bardzo dużą energię aktywacji drugiego etapu (fosforylacji) tej reakcji.
1: Utlenianie
Po pierwsze, reszta cysteiny w miejscu aktywnym GAPDH atakuje grupę karbonylową GAP, tworząc półprodukt hemitioacetalowy (kataliza kowalencyjna).
Hemitioacetal jest deprotonowany przez resztę histydyny w miejscu aktywnym enzymu (ogólna kataliza zasadowa). Deprotonowanie sprzyja ponownemu utworzeniu grupy karbonylowej w kolejnym tioestrowym związku pośrednim i wyrzuceniu jonu wodorkowego .
Następnie sąsiednia, ściśle związana cząsteczka NAD + przyjmuje jon wodorkowy , tworząc NADH , podczas gdy hemitioacetal jest utleniany do tioestru .
Ta forma tioestru ma znacznie wyższą energię (mniej stabilna) niż forma kwasu karboksylowego , która powstałaby, gdyby GAP utleniono pod nieobecność GAPDH (gatunek kwasu karboksylowego ma tak niską energię, że bariera energetyczna dla drugiego etapu reakcji (fosforylacja) byłaby zbyt duża, a zatem reakcja zbyt wolna i niekorzystna dla żywego organizmu).
2: Fosforylacja
NADH opuszcza miejsce aktywne i jest zastępowany inną cząsteczką NAD + , której ładunek dodatni stabilizuje ujemnie naładowany tlen karbonylowy w stanie przejściowym kolejnego i ostatecznego etapu. Wreszcie cząsteczka nieorganicznego fosforanu atakuje tioester i tworzy czworościenny związek pośredni, który następnie zapada się, uwalniając 1,3-bisfosfoglicerynian i grupę tiolową reszty cysteiny enzymu.
Rozporządzenie
Białko to może wykorzystywać morfeeinowy model regulacji allosterycznej .
Funkcjonować
Metaboliczny
Jak sama nazwa wskazuje, dehydrogenaza 3-fosforanu gliceraldehydu (GAPDH) katalizuje konwersję 3-fosforanu aldehydu glicerynowego do 1,3-bisfosforanu D - gliceranu . Jest to szósty etap glikolitycznego rozkładu glukozy, ważnego szlaku dostarczania energii i cząsteczek węgla, który odbywa się w cytozolu komórek eukariotycznych. Konwersja odbywa się w dwóch połączonych krokach. Pierwszy jest korzystny i pozwala na wystąpienie drugiego niekorzystnego kroku.
Przyczepność
funkcji księżyca GAPDH jest jego rola w adhezji i wiązaniu z innymi partnerami. Wiadomo, że bakteryjny GAPDH z Mycoplasma i Streptococcus oraz grzybiczy GAPDH z Paracoccidioides brasiliensis wiążą się ze składnikiem ludzkiej macierzy pozakomórkowej i działają adhezyjnie. Stwierdzono, że GAPDH wiąże się z powierzchnią, przyczyniając się do adhezji, a także do konkurencyjnego wykluczania szkodliwych patogenów. GAPDH z Candida albicans jest związany ze ścianą komórkową i wiąże się z fibronektyną i lamininą . GAPDH z probiotyków wiążą ludzką mucynę okrężnicy i ECM, co powoduje zwiększoną kolonizację probiotyków w jelitach człowieka. Patel D. i wsp. wykazali, że Lactobacillus acidophilus GAPDH wiąże się z mucyną, działając adhezyjnie.
Transkrypcja i apoptoza
GAPDH może sam aktywować transkrypcję . Kompleks OCA-S zawiera GAPDH i dehydrogenazę mleczanową , dwa białka, o których wcześniej sądzono, że biorą udział w metabolizmie . GAPDH przemieszcza się między cytozolem a jądrem i może w ten sposób łączyć stan metaboliczny z transkrypcją genów.
W 2005 roku Hara i in. wykazało, że GAPDH inicjuje apoptozę . Nie jest to trzecia funkcja, ale może być postrzegana jako aktywność, w której pośredniczy wiązanie GAPDH z DNA , jak w aktywacji transkrypcji, omówionej powyżej. Badanie wykazało, że GAPDH jest S-nitrozylowany przez NO w odpowiedzi na stres komórkowy, co powoduje, że wiąże się z białkiem SIAH1 , ligazą ubikwitynową . Kompleks przenosi się do jądra, gdzie Siah1 celuje w białka jądrowe w celu degradacji , inicjując w ten sposób kontrolowane zamykanie komórek. Grupa wykazała to w kolejnym badaniu deprenyl , który był stosowany klinicznie w leczeniu choroby Parkinsona , silnie zmniejsza apoptotyczne działanie GAPDH, zapobiegając jego S-nitrozylacji i dlatego może być stosowany jako lek.
Przełącznik metaboliczny
GAPDH działa jako odwracalny przełącznik metaboliczny pod wpływem stresu oksydacyjnego. Gdy komórki są wystawione na działanie utleniaczy , potrzebują nadmiernych ilości kofaktora antyoksydacyjnego NADPH . W cytosolu NADPH jest redukowany z NADP+ przez kilka enzymów, z których trzy katalizują pierwsze etapy szlaku pentozofosforanowego . Traktowanie utleniaczem powoduje inaktywację GAPDH. Ta inaktywacja tymczasowo przekierowuje strumień metaboliczny z glikolizy na szlak pentozofosforanowy, umożliwiając komórce generowanie większej ilości NADPH. W warunkach stresowych NADPH jest potrzebny niektórym układom antyoksydacyjnym, w tym glutaredoksynie i tioredoksyny , jak również jest niezbędny do recyklingu glutationu .
ER do transportu Golgiego
Wydaje się również, że GAPDH bierze udział w transporcie pęcherzyków z retikulum endoplazmatycznego (ER) do aparatu Golgiego , który jest częścią szlaku transportu wydzielanych białek. Stwierdzono, że GAPDH jest rekrutowany przez rab2 do klastrów pęcherzykowo-kanalikowych ER, gdzie pomaga w tworzeniu pęcherzyków COP 1 . GAPDH jest aktywowany przez fosforylację tyrozyny przez Src .
Dodatkowe funkcje
GAPDH, podobnie jak wiele innych enzymów, pełni wiele funkcji. Oprócz katalizowania szóstego etapu glikolizy , ostatnie dowody implikują GAPDH w innych procesach komórkowych. Opisano, że GAPDH wykazuje wielofunkcyjność wyższego rzędu w kontekście utrzymywania komórkowej homeostazy żelaza, w szczególności jako białko opiekuńcze dla labilnego hemu w komórkach. Było to zaskoczeniem dla badaczy, ale z ewolucyjnego punktu widzenia sensowne jest ponowne wykorzystanie i adaptacja istniejących białek zamiast opracowywania nowego białka od podstaw.
Użyj jako kontroli ładowania
Ponieważ gen GAPDH jest często stabilnie i konstytutywnie wyrażany na wysokim poziomie w większości tkanek i komórek, jest uważany za gen metabolizmu podstawowego . Z tego powodu GAPDH jest powszechnie używany przez badaczy biologicznych jako kontrola obciążenia dla Western blot i jako kontrola dla qPCR . Jednak naukowcy zgłosili różne regulacje GAPDH w określonych warunkach. Na przykład czynnik transkrypcyjny MZF-1 Wykazano, że reguluje gen GAPDH. Niedotlenienie również silnie reguluje w górę GAPDH. Dlatego użycie GAPDH jako kontroli ładowania musi być dokładnie rozważone.
Dystrybucja komórkowa
Wszystkie etapy glikolizy zachodzą w cytozolu , podobnie jak reakcja katalizowana przez GAPDH. W krwinkach czerwonych GAPDH i kilka innych enzymów glikolitycznych tworzy kompleksy po wewnętrznej stronie błony komórkowej . Wydaje się, że proces ten jest regulowany przez fosforylację i utlenianie. Oczekuje się, że zbliżenie kilku enzymów glikolitycznych do siebie znacznie zwiększy ogólną szybkość rozpadu glukozy. Ostatnie badania wykazały również, że GAPDH jest wyrażany w sposób zależny od żelaza na zewnętrznej stronie błony komórkowej, gdzie odgrywa rolę w utrzymaniu komórkowej homeostazy żelaza.
Znaczenie kliniczne
Rak
GAPDH ulega nadekspresji w wielu ludzkich nowotworach, takich jak czerniak skóry , a jego ekspresja jest dodatnio skorelowana z progresją nowotworu. Jego funkcje glikolityczne i antyapoptotyczne przyczyniają się do proliferacji i ochrony komórek nowotworowych, promując nowotworzenie . Warto zauważyć, że GAPDH chroni przed telomerów wywołanym przez leki chemioterapeutyczne , które stymulują ceramid sfingolipidowy . Tymczasem warunki takie jak stres oksydacyjny upośledzają funkcję GAPDH, prowadząc do starzenia się i śmierci komórek. Co więcej, wyczerpanie GAPDH zdołało wywołać starzenie się komórek nowotworowych, prezentując w ten sposób nową strategię terapeutyczną do kontrolowania wzrostu guza.
Neurodegeneracja
GAPDH bierze udział w kilku chorobach i zaburzeniach neurodegeneracyjnych, głównie poprzez interakcje z innymi białkami specyficznymi dla tej choroby lub zaburzenia. Te interakcje mogą wpływać nie tylko na metabolizm energetyczny, ale także na inne funkcje GAPDH. Na przykład interakcje GAPDH z beta-amyloidu (betaAPP) mogą zakłócać jego funkcję w zakresie transportu do cytoszkieletu lub błony, podczas gdy interakcje z huntingtyną mogą zakłócać jej funkcję w zakresie apoptozy, transportu jądrowego tRNA , replikacji DNA i naprawa DNA . Ponadto opisano translokację jądrową GAPDH w chorobie Parkinsona (PD), a kilka leków przeciwapoptotycznych PD, takich jak rasagilina , działa poprzez zapobieganie translokacji jądrowej GAPDH. Sugeruje się, że hipometabolizm może być jednym z czynników przyczyniających się do PD, ale dokładne mechanizmy leżące u podstaw zaangażowania GAPDH w chorobę neurodegeneracyjną wymagają wyjaśnienia. SNP rs3741916 w 5' UTR genu GAPDH może być związany z chorobą Alzheimera o późnym początku .
Interakcje
Partnerzy wiążący białka
GAPDH uczestniczy w wielu funkcjach biologicznych poprzez interakcje białko-białko z:
- tubulina ułatwiająca wiązanie mikrotubul;
- aktyna ułatwiająca polimeryzację aktyny;
- VDAC1 do indukowania przepuszczalności błony mitochondrialnej (MMP) i apoptozy;
- Receptor inozytolu 1,4,5-trisfosforanu do regulacji wewnątrzkomórkowej sygnalizacji Ca2+ ;
- Oct-1 do utworzenia kompleksu koaktywatora OCA-S, który jest wymagany do syntezy histonu H2B podczas fazy S cyklu komórkowego ;
- p22 do wspomagania organizacji mikrotubul ;
- Rab2 w celu ułatwienia transportu retikulum endoplazmatycznego (ER) – aparat Golgiego ;
- Transferyna na powierzchni różnych komórek iw płynie pozakomórkowym;
- dehydrogenaza mleczanowa ;
- laktoferyna;
- Endonukleaza apurinowa/apirymidynowa ( APE1 ), przekształcając w ten sposób utleniony APE1 w jego zredukowaną postać, aby wznowić aktywność endonukleazy ;
- Białko białaczki promielocytowej (PML) w sposób zależny od RNA ;
- Rheb do sekwestracji GTPazy w warunkach niskiego poziomu glukozy;
- Siah1, tworząc kompleks, który przemieszcza się do jądra, gdzie ubikwitynuje i degraduje białka jądrowe w warunkach stresu nitrozacyjnego;
- Konkurent GAPDH dla białka Siah wzmacnia życie (GOSPEL), aby zablokować interakcję GAPDH z Siah1, a tym samym śmierć komórki w odpowiedzi na stres oksydacyjny;
- białko wiążące p300/ CREB (CBP), które acetyluje GAPDH i z kolei wzmaga acetylację dodatkowych celów apoptotycznych;
- specyficzna dla mięśni szkieletowych kinaza białkowa zależna od Ca2+/kalmoduliny;
- Akt ;
- Białko prekursorowe beta-amyloidu (betaAPP);
- polowanie .
- GAPDH może samoasocjować w homotypowe oligomery/agregaty
Partnerzy wiążący kwas nukleinowy
GAPDH wiąże się z jednoniciowym RNA i DNA oraz zidentyfikowano szereg partnerów wiążących kwasy nukleinowe:
- tRNA ,
- wirusa zapalenia wątroby typu A ,
- wątroby typu B ,
- wątroby typu C ,
- HPIV3,
- limfokiny ,
- mRNA IFN-γ ,
- JEV i
- telomerowe .
Inhibitory
Interaktywna mapa szlaków
Kliknij geny, białka i metabolity poniżej, aby przejść do odpowiednich artykułów.
Dalsza lektura
- Voet D, Voet JG (2010). Biochemia . Nowy Jork: Wiley. ISBN 978-0-470-57095-1 .
- Stryer L, Berg JM, Tymoczko JL (2002). Biochemia, wydanie piąte i zeszyt wykładowy . San Francisco: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-9804-0 .
- schemat mechanizmu reakcji GAPDH z Lodish MCB na półce NCBI
- podobny schemat z Alberts The Cell na półce NCBI
Linki zewnętrzne
- PDBe-KB zawiera przegląd wszystkich informacji o strukturze dostępnych w PDB dla ludzkiej dehydrogenazy aldehydu 3-fosforanowego
|
Galeria WP
| |
|---|---|
|
