Die Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase (GAPDH, Syn. 3-Phosphoglycerinaldehyd-Dehydrogenase) ist ein Enzym der Glycolyse und daher unentbehrlich für alle Lebewesen. Sie katalysiert die Umwandlung von Glycerinaldehyd-3-phosphat zu 1,3-Bisphosphoglycerat. Bei dieser Reaktion wird eine energiereiche Phosphat-Bindung aufgebaut, die im folgenden Schritt der Glycolyse auf ADP übertragen wird, wodurch ATP entsteht. Außerdem wird in der katalysierten Reaktion ein NAD+ zu NADH/H+ umgewandelt.
Struktur Unter normalen zellulären Bedingungen existiert das cytoplasmatische GAPDH hauptsächlich als Tetramer. Diese Form besteht aus vier identischen 37-kDa-Untereinheiten, die jeweils eine einzige katalytische Thiolgruppe enthalten und für die katalytische Funktion des Enzyms entscheidend sind.C. Tristan, N. Shahani, T. W. Sedlak, A. Sawa: The diverse functions of GAPDH: views from different subcellular compartments. In: Cellular signalling. Band 23, Nummer 2, Februar 2011, S. 317–323, doi:10.1016/j.cellsig.2010.08.003, PMID 20727968, (Review).C. Nicholls, H. Li, J. P. Liu: GAPDH: a common enzyme with uncommon functions. In: Clinical and experimental pharmacology & physiology. Band 39, Nummer 8, August 2012, S. 674–679, doi:10.1111/j.1440-1681.2011.05599.x, PMID 21895736 (Review). Die GAPDH im Zellkern hat einen erhöhten isoelektrischen Punkt (pI) bei pH 8,3 bis 8,7. Der Cysteinrest Cys152 im aktiven Zentrum des Enzyms ist für die Induktion der Apoptose durch oxidativen Stress erforderlich. Insbesondere tragen posttranslationale Modifikationen der cytoplasmatischen GAPDH zu seinen Funktionen außerhalb der Glykolyse bei.
Katalytischer Mechanismus Zum Verständnis des Reaktionsmechanismus der GAPDH haben folgende enzymologische Experimente beigetragen:
GAPDH wurde durch Alkylierung mit stöchiometrischen Mengen an Iodacetat unwirksam gemacht. Das Vorhandensein von Carboxymethylcystein im Hydrolysat des resultierenden alkylierten Enzyms zeigt, dass GAPDH im aktiven Zentrum einen Cysteinrest besitzt, dessen Thiolgruppe im Mechanismus eine Rolle spielt. 750px|links|alt=|Alkylierung von GAPDH GAPDH überträgt quantitativ ein Tritium vom C1-Atom von GAP zu NAD+. Damit konnte man beweisen, dass die Reaktion über eine Hydridübertragung verläuft. 600px|zentriert|alt=|Quantitativer Tritiumtransfer vom Substrat zu NAD(+)
GAPDH katalysiert den Austausch von 32P zwischen Pi und Acetylphosphat.Acetylphosphat, Lexikon der Biologie; Acetylphosphat, Lexikon der Chemie. Auf spektrum.de. Solche Isotopenaustauschreaktionen weisen auf einen Acyl-Enzym als Zwischenprodukt hin, d. h., dass die Acylgruppe einen kovalenten Komplex mit dem Enzym bildet, ähnlich wie das Acyl-Enzym-Intermediat im Reaktionsmechanismus von Serinproteasen. 600px|zentriert|alt=|Isotopenaustauschreaktion mit GAPDH
Das Hauptproblem der Reaktion stellt die Abspaltung des H−-Ion (Hydridion) von der Aldehydgruppe des Glycerinaldehyd-3-Phosphats dar. Dies ist energetisch ungünstig, da der Kohlenstoff in der Aldehydgruppe eine positive Partialladung trägt. Durch eine Sulfhydrylgruppe eines Cysteins des Enzyms wird über eine kovalente Bindung ein nukleophiler Rest eingeführt. Das Nukleophil greift den Carbonylkohlenstoff von Glycerinaldehyd-3-phosphat (GAP) an, um ein Thiohalbacetal zu bilden. Nach Abstraktion des Protons der Hydroxygruppe am C1-Atom von GAP durch eine Base löst sich das Hydridion und zwischen Enzym und Substrat entsteht ein Thioester (Oxidation). Diese energiereiche Verbindung wird in der nachfolgenden Reaktion benutzt, um ein anorganisches Phosphat zu binden und das Zwischenprodukt in 1,3-Bisphosphoglycerat umzuwandeln (Phosphorylierung). Das Hydridion bindet mittlerweile an ein nicht-kovalent an einer Rossmann-Faltung gebundenes NAD+, so dass NADH/H+entsteht. Dieses löst sich aus der Bindung mit dem Enzym und wird durch ein NAD+ ersetzt,Stryer, Lubert: Biochemie. 4. Auflage. Spektrum der Wissenschaft Verlag, Heidelberg 1996, S. 526. weil die positive Ladung des NAD+ das Thioester-Zwischenprodukt polarisiert, um den Angriff durch das Orthophosphat zu erleichtern. Die katalysierte Reaktion nimmt energetisch einen hohen Stellenwert ein. Das entstandene gemischte Anhydrid aus Phosphor- und Carbonsäure wird in der nachfolgenden Reaktion zur ATP-Bildung verwendet. Aus dem NADH/H+ kann wiederum ATP in der Atmungskette gebildet werden.Florian Horn et al.: Biochemie des Menschen, Stuttgart 2003, ISBN 3-13-130883-4, S. 80. Weil Zellen nur eine begrenzte Menge an NAD+ besitzen, würde die Glykolyse stehenbleiben, wenn das in der Glykolyse produzierte NADH nicht kontinuierlich reoxidiert werden würde. Daher wird NAD+ aus dem anaeroben Abbau von Pyruvat regeneriert.
mini|750px|links|alt=|Reaktionsmechanismus der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase von E. coli. 300px|mini|Aktives Zentrum der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase von E. coli,E. Duée, L. Olivier-Deyris, E. Fanchon, C. Corbier, G. Branlant, O. Dideberg: Comparison of the structures of wild-type and a N313T mutant of Escherichia coli glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenases: implication for NAD binding and cooperativity. In: Journal of molecular biology. Band 257, Nummer 4, April 1996, S. 814–838, doi:10.1006/jmbi.1996.0204, PMID 8636984. nach .
Die von der Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase katalysierte Reaktion ist in Wirklichkeit die Summe zweier Prozesse: der Oxidation von Glycerinaldehyd-3-phosphat zu 3-Phosphoglycerat durch NAD+ und der Phosphorylierung von 3-Phosphoglycerat zu 1,3-Bisphosphoglycerat (Dehydratisierung).
700px|zentriert|alt=|Oxidation von Glycerinaldehyd-3-phosphat zu 3-Phosphoglycerat (obere Reaktion) und Bildung von 1,3-Bisphosphoglycerat aus 3-Phosphoglycerat und Orthophosphat (untere Reaktion)
Die erste Reaktion ist mit einer Änderung der freien Standardenthalpie () von etwa −50 kJ/mol thermodynamisch recht günstig. Die zweite Reaktion verläuft mit einer freien Standardenthalpie von ungefähr +50 kJ/mol sehr ungünstig. Daher müssen die beiden Reaktionen miteinander gekoppelt verlaufen, damit die Aldehydoxidation die Bildung des Acylphosphats antreiben kann. Die Kopplung erfolgt durch ein Thioester-Zwischenprodukt, welches durch eine Thioesterbindung an das Enzym gebunden ist. Thioester sind energiereiche Verbindungen, die man in vielen biochemischen Stoffwechselwegen findet. Die freie Energie des Thioester-Zwischenproduktes ist größer als die der freien Carbonsäure. Damit bleibt der größte Teil der freien Enthalpie, die bei der Oxidationsreaktion frei wurde, erhalten.
Eigenschaften und Funktion Alle Schritte der Glykolyse finden im Cytosol statt, ebenso die durch GAPDH katalysierte Reaktion. In roten Blutkörperchen bilden GAPDH und mehrere andere glykolytische Enzyme bestimmte Enzymkomplexe auf der Innenseite der Zellmembran. Der Prozess scheint durch Phosphorylierung und Oxygenierung reguliert zu werden.M. E. Campanella, H. Chu, P. S. Low: Assembly and regulation of a glycolytic enzyme complex on the human erythrocyte membrane. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 102, Nummer 7, Februar 2005, S. 2402–2407, doi:10.1073/pnas.0409741102, PMID 15701694, . Es wird erwartet, dass die Annäherung mehrerer glykolytischer Enzyme die Gesamtgeschwindigkeit des Glukoseabbaus stark erhöht. Einige Studien haben auch gezeigt, dass GAPDH auf der Außenseite der Zellmembran Eisen-abhängig exprimiert wird und dort eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Eisenhomöostase spielt,M. A. Sirover: Structural analysis of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase functional diversity. In: The international journal of biochemistry & cell biology. Band 57, Dezember 2014, S. 20–26, doi:10.1016/j.biocel.2014.09.026, PMID 25286305, (Review).S. Kumar, N. Sheokand, M. A. Mhadeshwar, C. I. Raje, M. Raje: Characterization of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase as a novel transferrin receptor. In: The international journal of biochemistry & cell biology. Band 44, Nummer 1, Januar 2012, S. 189–199, doi:10.1016/j.biocel.2011.10.016, PMID 22062951. insbesondere als Chaperonprotein für labiles Häm in Zellen.E. A. Sweeny, A. B. Singh, R. Chakravarti, O. Martinez-Guzman, A. Saini, M. M. Haque, G. Garee, P. D. Dans, L. Hannibal, A. R. Reddi, D. J. Stuehr: Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase is a chaperone that allocates labile heme in cells. In: Journal of Biological Chemistry. Band 293, Nummer 37, 09 2018, S. 14557–14568, doi:10.1074/jbc.RA118.004169, PMID 30012884, .
Transkription und Apoptose GAPDH kann selbst die Transkription aktivieren. Der OCA-S-Transkriptionscoaktivator-Komplex enthält GAPDH und Lactatdehydrogenase, zwei Proteine, von denen bisher angenommen wurde, dass sie nur am Stoffwechsel beteiligt sind. GAPDH bewegt sich zwischen dem Cytosol und dem Zellkern und kann so den metabolischen Zustand mit der Gentranskription verbinden.L. Zheng, R. G. Roeder, Y. Luo: S phase activation of the histone H2B promoter by OCA-S, a coactivator complex that contains GAPDH as a key component. In: Cell. Band 114, Nummer 2, Juli 2003, S. 255–266, doi:10.1016/s0092-8674(03)00552-x, PMID 12887926.
Im Jahr 2005 haben Hara et al. gezeigt, dass GAPDH die Apoptose initiiert. Die Initiation wird durch die GAPDH-Bindung an DNA vermittelt. Die Studie zeigte, dass GAPDH durch Stickstoffmonoxid als Reaktion auf Zellstress S-nitrosyliert wird, wodurch es an das Protein SIAH1, eine Ubiquitin-Ligase, bindet. Der Komplex bewegt sich in den Zellkern, in dem SIAH1 auf Kernproteine zum Abbau abzielt, wodurch ein kontrolliertes Herunterfahren der Zellen eingeleitet wird.M. R. Hara, N. Agrawal, S. F. Kim, M. B. Cascio, M. Fujimuro, Y. Ozeki, M. Takahashi, J. H. Cheah, S. K. Tankou, L. D. Hester, C. D. Ferris, S. D. Hayward, S. H. Snyder, A. Sawa: S-nitrosylated GAPDH initiates apoptotic cell death by nuclear translocation following Siah1 binding. In: Nature cell biology. Band 7, Nummer 7, Juli 2005, S. 665–674, doi:10.1038/ncb1268, PMID 15951807. In einer anschließenden Studie zeigte die Gruppe, dass Selegilin, das klinisch zur Behandlung der Parkinson-Krankheit eingesetzt wurde, die apoptotische Wirkung von GAPDH stark reduziert, indem es dessen S-Nitrosylierung verhindert und daher möglicherweise als Medikament eingesetzt werden kann.M. R. Hara, B. Thomas, M. B. Cascio, B. I. Bae, L. D. Hester, V. L. Dawson, T. M. Dawson, A. Sawa, S. H. Snyder: Neuroprotection by pharmacologic blockade of the GAPDH death cascade. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 103, Nummer 10, März 2006, S. 3887–3889, doi:10.1073/pnas.0511321103, PMID 16505364, .
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