Gliseraldehid 3-fosfat dehidrogenase

Gliseraldehid 3-fosfat dehidrogenase (disingkat GAPDH) () ialah enzim dengan berat kira-kira 37 kDa yang memangkinkan langkah keenam glikolisis, dan dengan itu, berfungsi untuk memecahkan glukosa untuk menghasilkan tenaga dan molekul karbon. Sebagai tambahan kepada fungsi metabolisme yang telah lama diketahui, GAPDH baru-baru ini diketahui terlibat dalam beberapa proses bukan metabolisme, termasuk pengaktifan transkripsi, permulaan apoptosis, pengulangalikan vesikel ER-Golgi dan pengangkutan aksoplasma. Dalam sperma, GAPDHS isoenzim khusus testis dinyatakan.

 Struktur 
Di bawah keadaan sel biasa, GAPDH sitoplasma wujud terutamanya sebagai tetramer. Bentuk ini terdiri daripada empat subunit 37 kDa sama yang mengandungi satu kumpulan tiol pemangkin setiap satu yang kritikal terhadap fungsi pemangkin enzim. GAPDH nukleus telah meningkatkan titik isoelektrik (pI) pH 8.3–8.7. Residu sisteina di C152 dalam tapak aktif enzim diperlukan bagi cetusan apoptosis oleh tekanan oksidatif. Di samping itu, pengubahsuaian pascatranslasi GAPDH sitoplasma menyumbang kepada fungsinya di luar glikolisis.

GAPDH dikodkan oleh gen tunggal yang menghasilkan transkrip mRNA tunggal dengan 8 varian sambatan, walaupun isoform wujud sebagai gen berasingan yang hanya wujud dalam spermatozoa.

 Reaksi 

 Penukaran dua langkah G3P 
Tindak balas pertama ialah pengoksidaan gliseraldehid 3-fosfat (G3P) di kedudukan 1 (dalam rajah, ia ditunjukkan sebagai karbon keempat daripada glikolisis), di mana aldehid ditukar kepada asid karboksilik (ΔG°'=- 50 kJ/mol (−12kcal/mol)) dan NAD+ secara serentak diturunkan secara endergonik kepada NADH.

Tenaga yang dikeluarkan oleh tindak balas pengoksidaan yang sangat eksergonik ini memacu tindak balas kedua endergonik (ΔG°'=+50 kJ/mol (+12kcal/mol)), di mana molekul fosfat tak organik dipindahkan ke perantaraan GAP untuk membentuk produk dengan keupayaan pemindahan fosforil yang tinggi: 1,3-bisfosfogliserat (1,3-BPG).

Ini adalah contoh fosforilasi yang digabungkan dengan pengoksidaan, dan tindak balas keseluruhan adalah agak endergonik (ΔG°'=+6.3 kJ/mol (+1.5)). Gandingan tenaga di sini dimungkinkan oleh GAPDH.

 Mekanisme 
GAPDH menggunakan pemangkinan kovalen dan pemangkinan asas am untuk mengurangkan tenaga pengaktifan yang sangat besar bagi langkah kedua (fosforilasi) tindak balas ini.

Pertama, sisa sisteina di tapak aktif GAPDH menyerang kumpulan karbonil G3P, mewujudkan perantaraan hemitioasetal (pemangkinan kovalen).

Hemithioacetal dideprotonasikan oleh sisa histidina dalam tapak aktif enzim (pemangkinan asas am). Penyahprotonan menggalakkan pengubahsuaian kumpulan karbonil dalam perantaraan tioester seterusnya dan pembuagan ion hidrida.

Seterusnya, molekul NAD+ terikat rapat yang bersebelahan menerima ion hidrida, membentuk NADH manakala hemitioasetal dioksidakan menjadi tioester.

Spesies tioester ini jauh lebih tinggi dalam tenaga (kurang stabil) daripada spesies asid karboksilik yang akan terhasil jika G3P teroksida tanpa ketiadaan GAPDH (spesies asid karboksilik sangat rendah tenaga sehingga penghalang tenaga untuk langkah kedua tindak balas (pemfosforilan) akan menjadi terlalu tinggi sehinnga menjadi terlalu perlahan dan tidak menguntungkan dalam organisma hidup).

NADH meninggalkan tapak aktif dan digantikan oleh molekul lain NAD+, cas positif yang menstabilkan oksigen karbonil bercas negatif dalam keadaan peralihan langkah akhir seterusnya. Akhirnya, molekul fosfat tak organik menyerang tioester, dan membentuk perantaraan tetrahedron, yang kemudiannya runtuh untuk membebaskan 1,3-bisfosfogliserate, dan kumpulan tiol sisa sisteina enzim.

Protein ini mungkin menggunakan model morfein dalam satu kawal atur alosterik.

 Fungsi 

 Metabolisme 
Seperti namanya, gliseraldehid 3-fosfat dehidrogenase (GAPDH) memangkinkan penukaran gliseraldehid 3-fosfat kepadaD-gliserat 1,3-bifosfat. Ini ialah langkah keenam dalam pecahan glikolisis glukosa, laluan penting bekalan tenaga dan molekul karbon yang berlaku dalam sitosol sel eukariot. Penukaran berlaku dalam dua langkah bergandingan. Langkah pertama ialah menguntungkan dan membolehkan langkah kedua yang tidak berkecenderungan berlaku.

 Pelekatan 
Salah satu fungsi sampingan GAPDH ialah peranannya dalam lekatan dan pengikatan kepada komponen biologi lain. GAPDH bakteria daripada Mycoplasma dan Streptococcus, dan GAPDH kulat daripada Paracoccidioides brasiliensis diketahui mengikat dengan komponen matriks ekstrasel manusia dan bertindak dalam lekatan. GAPDH didapati terikat di permukaan lalu menyumbang dalam lekatan serta dalam penghalangan berpersaingan patogen berbahaya. GAPDH daripada Candida albicans didapati berkaitan dengan dinding sel dan mengikat fibronektin dan laminin. GAPDH daripada spesies probiotik diketahui mengikat musin kolon manusia dan ECM, mengakibatkan kolonisasi probiotik yang dipertingkatkan dalam usus manusia. Patel D. et al., menunjukkan bahawa Lactobacillus acidophilus GAPDH mengikat dengan musin dalam tindakan lekatan.

 Transkripsi dan apoptosis 
GAPDH sendiri boleh mengaktifkan transkripsi. Kompleks kopengaktif transkripsi OCA-S mengandungi GAPDH dan laktat dehidrogenase, dua protein yang sebelum ini hanya dianggap terlibat dalam metabolisme. GAPDH bergerak antara sitosol dan nukleus, dan dengan itu, boleh menghubungkan keadaan metabolisme dengan transkripsi gen.

Pada tahun 2005, Hara et al. menunjukkan bahawa GAPDH memulakan apoptosis. Ini bukan suatu fungsi ketiga, tetapi boleh dilihat sebagai aktiviti berbantuan GAPDH yang mengikat DNA seperti dalam pengaktifan transkripsi yang dibincangkan di atas. Kajian itu menunjukkan bahawa GAPDH dinitrosilkan S oleh NO sebagai tindak balas kepada tekanan sel, menyebabkan ia mengikat protein SIAH1, sejenis ubikuitin ligase. Kompleks ini bergerak ke dalam nukleus di mana Siah1 menyasarkan protein nukleus bagi penguraian, dengan itu memulakan pematian sel terkawal. Dalam kajian seterusnya, kumpulan itu menunjukkan bahawa deprenil yang telah digunakan secara klinikal untuk merawat penyakit Parkinson banyak mengurangkan apoptosis GAPDH dengan menghalang penitrosilannya, lantas mungkin dapat digunakan sebagai ubat.

 Suis metabolisme 
GAPDH bertindak sebagai suis metabolisme berbalik di bawah tekanan oksidatif. Apabila sel terdedah kepada pengoksida, mereka memerlukan kofaktor antioksidan NADPH yang begitu banyak. Dalam sitosol, NADPH diturunkan daripada NADP+ oleh beberapa enzim, tiga daripadanya memangkinkan langkah pertama laluan pentosa fosfat. Rawatan pengoksida menyebabkan penyahaktifan GAPDH. Penyahaktifan ini mengarahkan semula sementara fluks metabolisme daripada glikolisis ke laluan pentosa fosfat, membolehkan sel menjana lebih banyak NADPH. Dalam keadaan tekanan, NADPH diperlukan oleh beberapa sistem antioksidan termasuk glutaredoksin dan tioredoksin, serta penting bagi kitar semula glutation.

 Pengangkutan ER ke Golgi 
GAPDH juga nampaknya terlibat dalam pengangkutan vesikel dari retikulum endoplasma (ER) ke radas Golgi yang merupakan sebahagian daripada laluan penghantaran buat protein yang dirembeskan. Dapatan menujukkan bahawa GAPDH direkrut oleh rab2 ke kelompok vesikel-tubul ER, di mana ia membantu membentuk vesikel COP 1. GAPDH diaktifkan melalui pemfosforilan tirosina oleh Src.

 Fungsi tambahan 
GAPDH mempunyai pelbagai fungsi seperti banyak enzim lain. Di samping memangkinkan langkah keenam glikolisis, bukti terkini menunjukkan pembabitan GAPDH dalam proses sel lain. GAPDH telah dilihat mempamerkan kepelbagaian fungsi yang lebih tinggi dalam konteks mengekalkan homeostasis zat besi sel, khususnya sebagai protein pendamping bagi hem tak aktif dalam sel.

 Sebagai pengawal pemuatan 
Oleh kerana gen GAPDH selalunya diekspresikan secara stabil dan konstitutif pada tahap tinggi dalam kebanyakan tisu dan sel, ia dianggap sebagai gen pengemasan. Atas sebab ini, GAPDH biasanya digunakan oleh penyelidik biologi sebagai kawalan pemuatan bagi blot Western dan kawalan qPCR. Walau bagaimanapun, penyelidik telah melaporkan gaya kawal atur GAPDH yang berbeza di bawah keadaan tertentu. Sebagai contoh, faktor transkripsi MZF-1 telah ditunjukkan mengawal gen GAPDH. Hipoksia juga banyak mengawal atur naik GAPDH.

 Taburan di sel 
Semua langkah glikolisis berlaku dalam sitosol dan begitu juga tindak balas yang dimangkinkan oleh GAPDH. Dalam sel darah merah, GAPDH dan beberapa enzim glikolitik lain berkumpul dalam kompleks di bahagian dalam membran sel. Proses ini nampaknya dikawal oleh pemfosforilan dan pengoksigenan. Pembawaan beberapa enzim glikolitik antara satu sama lain dijangka akan meningkatkan kelajuan keseluruhan pemecahan glukosa. Kajian terbaru juga telah mendedahkan bahawa GAPDH diekspresikan dalam cara bergantungan zat besi di bahagian luar membran sel, di mana ia memainkan peranan dalam penyelenggaraan homeostasis zat besi sel.

 Kepentingan klinikal 

 Kanser 
GAPDH diekspresikan berlebihan dalam pelbagai kanser manusia, seperti melanoma kulit, dan ekspresinya dikaitkan secara positif dengan perkembangan tumor. Fungsi glikolisis dan antiapoptosisnya menyumbang kepada percambahan dan perlindungan sel tumor lalu menggalakkan tumorigenesis. Secara utama, GAPDH melindungi pemendekan telomer yang disebabkan oleh ubat kemoterapi yang merangsang seramida. Sementara itu, keadaan seperti tekanan oksidatif menjejaskan fungsi GAPDH yang membawa kepada penuaan dan kematian selular. Lebih-lebih lagi, pengurangan GAPDH telah berjaya mendorong penuaan dalam sel tumor, justeru memaparkan satu strategi terapeutik baru untuk mengawal pertumbuhan tumor.

 Neurodegenerasi 
GAPDH telah terlibat dalam beberapa penyakit dan gangguan neurodegeneratif, sebahagian besarnya melalui interaksi dengan protein lain khusus bagi satu-satu penyakit atau gangguan. Interaksi ini boleh tidak menjejaskan metabolisme tenaga semata-mata, tetapi fungsi GAPDH yang lain. Sebagai contoh, interaksi GAPDH dengan protein pelopor beta-amiloid (betaAPP) boleh mengganggu fungsinya berkaitan sitoskeleton atau pengangkutan membran, manakala interaksi dengan huntingtin boleh mengganggu fungsinya berkenaan apoptosis, pengangkutan tRNA nukleus, replikasi DNA dan pembaikan DNA. Di samping itu, translokasi nuklear GAPDH telah dilaporkan dalam penyakit Parkinson (PD), dan beberapa ubat PD antiapoptosis seperti rasagilina berfungsi dengan menghalang translokasi nukleus GAPDH. Ada cadangan bahawa hipometabolisme mungkin menjadi satu penyumbang kepada PD, tetapi mekanisme tepat yang mendasari penglibatan GAPDH dalam penyakit neurodegeneratif masih perlu dihuraikan. SNP rs3741916 dalam 5' UTR gen GAPDH mungkin dikaitkan dengan penyakit Alzheimer cetusan lewat.

 Interaksi 

 Rakan pengikat protein 
GAPDH mengambil bahagian dalam beberapa fungsi biologi melalui interaksi protein-proteinnya dengan:

 tubulin untuk membantu pembundalan mikrotubul;
 aktin untuk membantu pempolimeran aktin;
 VDAC1 untuk mencetuskan penelapan membran mitokondrion dan apoptosis;
 reseptor inositol 1,4,5-trisfosfat untuk mengawal pengisyaratan Ca2+;
 Oct-1 untuk membentuk kompleks kopengaktif OCA-S yang diperlukan bagi sintesis histon H2B ketika fasa S dalam kitaran sel;
 p22 untuk membantu pengurusan mikrotubul;
 Rab2 untuk membantu pengangkutan retikulum endoplasma–Golgi; 
 Transferin di permukaan pelbagai sel dan bendalir luar sel;
 Laktat dehidrogenase;
 Laktoferin;
 Endonuklease apurina/apirimidina (APE1) lalu menukarkan APE1 teroksida kepada bentuk diturunkan untuk memulakan semula aktiviti endonuklease;
 Protein leukemia promielosit (PML) dalam gaya bergantungan RNA;
 Rheb bagi pemerolehan GTPase ketika keadaan glukosa rendah;
 Siah1 untuk membentuk kompleks yang bertranslokasi ke nukleus lalu menjalankan pengubikuitinan dan penguraian protein nukleus ketika tekanan nitroso;
 GOSPEL untuk menghalang interaksi GAPDH dengan Siah1, dan seterusnya, menghalang pematian sel oleh stres oksidaan; 
 p300/protein pengikat CREB (CBP) yang mengasetilkan GAPDH lalu menguatkan pengasetilan sasaran apoptosis tambahan;
 kinase protein bergandungan Ca2+/kalmodulin otot;
 Akt;
 Protein pelopor beta-amiloid (betaAPP);
 Huntingtin.

 Rakan pengikat asid nukleik 
GAPDH mengikat RNA untaian tunggal dan DNA, dan beberapa pasangan pengikat asid nukleik telah dikenal pasti:

 tRNA,
 RNA virus hepatitis A,
 RNA virus hepatitis B,
 RNA virus hepatitis C,
 HPIV3,
 mRNA limfokin,
 mRNA IFN-γ,
 mRNA JEV, dan
 DNA telomer.

 Rujukan 

 Pautan luar 

 PDBe-KB menyediakan gambaran keseluruhan semua maklumat struktur yang tersedia dalam PDB bagi gilseraldehid 3-fosfat dehidrogenase manusia

Kategori:Glikolisis
Kategori:Enzim glikolisis
Kategori:EC 1.2.1
Kategori:Gen kromosom 12