Glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase - Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase
| Glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase, domaine de liaison NAD | |||||||||
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 déterminants de la thermostabilité enzymatique observés dans la structure moléculaire de la d-glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase de thermus aquaticus à une résolution de 2,5 angströms
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| Identifiants | |||||||||
| symbole | Gp_dh_N | ||||||||
| Pfam | PF00044 | ||||||||
| Clan Pfam | CL0063 | ||||||||
| InterPro | IPR020828 | ||||||||
| PROSITE | PDOC00069 | ||||||||
| SCOP2 | 1gd1 / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
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| Glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase, domaine C-terminal | |||||||||
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 structure cristalline de la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase de pyrococcus horikoshii ot3
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| Identifiants | |||||||||
| symbole | Gp_dh_C | ||||||||
| Pfam | PF02800 | ||||||||
| Clan Pfam | CL0139 | ||||||||
| InterPro | IPR020829 | ||||||||
| PROSITE | PDOC00069 | ||||||||
| SCOP2 | 1gd1 / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
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La glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase (en abrégé GAPDH ) ( EC 1.2.1.12 ) est une enzyme d'environ 37 kDa qui catalyse la sixième étape de la glycolyse et sert ainsi à décomposer le glucose en molécules énergétiques et carbonées. En plus de cette fonction métabolique établie de longue date, la GAPDH a récemment été impliquée dans plusieurs processus non métaboliques, notamment l' activation de la transcription , l'initiation de l' apoptose , la navette du RE vers les vésicules de Golgi et le transport axonal ou axoplasmique rapide . Dans le sperme, une isoenzyme GAPDHS spécifique des testicules est exprimée.
Structure
Dans des conditions cellulaires normales, la GAPDH cytoplasmique existe principalement sous forme de tétramère . Cette forme est composée de quatre sous- unités identiques de 37 kDa contenant chacune un seul groupe thiol catalytique et essentielles à la fonction catalytique de l'enzyme. Nucléaire GAPDH a augmenté le point isoélectrique (pI) de pH 8,3 à 8,7. Il est à noter que le résidu cystéine C152 dans le site actif de l'enzyme est requis pour l'induction de l'apoptose par le stress oxydatif . Notamment, les modifications post-traductionnelles de la GAPDH cytoplasmique contribuent à ses fonctions en dehors de la glycolyse.
La GAPDH est codée par un seul gène qui produit un seul transcrit d'ARNm avec 8 variantes d'épissage, bien qu'une isoforme existe en tant que gène séparé qui n'est exprimé que dans les spermatozoïdes .
Réaction
| glycéraldéhyde 3-phosphate | glycéraldéhyde phosphate déshydrogénase | D - glycérate 1,3-bisphosphate | |
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| NAD + +P i | NADH + H + | ||
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| NAD + +P i | NADH + H + | ||
Composé C00118 dans la base de données KEGG Pathway. Enzyme 1.2.1.12 à KEGG Pathway Database. Réaction R01063 à KEGG Pathway Database. Composé C00236 dans la base de données KEGG Pathway.
Conversion en deux étapes de G3P
La première réaction est l'oxydation du glycéraldéhyde 3-phosphate (G3P) à la position 1 (dans le diagramme, il est représenté comme le 4e carbone de la glycolyse), dans laquelle un aldéhyde est converti en un acide carboxylique (ΔG°'=- 50 kJ/mol (−12kcal/mol)) et le NAD+ est simultanément réduit endergoniquement en NADH.
L'énergie libérée par cette réaction d'oxydation hautement exergonique entraîne la deuxième réaction endergonique (ΔG°'=+50 kJ/mol (+12kcal/mol)), dans laquelle une molécule de phosphate inorganique est transférée à l'intermédiaire GAP pour former un produit avec potentiel élevé de transfert de phosphoryle : 1,3-bisphosphoglycérate (1,3-BPG).
Il s'agit d'un exemple de phosphorylation couplée à une oxydation, et la réaction globale est quelque peu endergonique (ΔG°'=+6,3 kJ/mol (+1,5)). Le couplage énergétique est ici rendu possible par la GAPDH.
Mécanisme
GAPDH utilise la catalyse covalente et la catalyse basique générale pour diminuer la très grande énergie d'activation de la deuxième étape (phosphorylation) de cette réaction.
1 : Oxydation
Premièrement, un résidu de cystéine dans le site actif de GAPDH attaque le groupe carbonyle de GAP, créant un intermédiaire hémithioacétal (catalyse covalente).
L'hémithioacétal est déprotoné par un résidu histidine au site actif de l'enzyme (catalyse basique générale). La déprotonation encourage la reformation du groupe carbonyle dans l'intermédiaire thioester subséquent et l'éjection d'un ion hydrure .
Ensuite, une molécule adjacente étroitement liée de NAD + accepte l' ion hydrure , formant NADH tandis que l'hémithioacétal est oxydé en un thioester .
Cette espèce thioester a une énergie beaucoup plus élevée (moins stable) que l' espèce acide carboxylique qui résulterait de l'oxydation du GAP en l'absence de GAPDH (l'espèce acide carboxylique est si faible en énergie que la barrière énergétique pour la deuxième étape de la réaction (phosphorylation) serait trop élevée, et la réaction, par conséquent, trop lente et défavorable pour un organisme vivant).
2: Phosphorylation
Le NADH quitte le site actif et est remplacé par une autre molécule de NAD + , dont la charge positive stabilise l'oxygène carbonylé négativement chargé dans l'état de transition de l'étape suivante et ultime. Enfin, une molécule de phosphate inorganique attaque le thioester et forme un intermédiaire tétraédrique, qui s'effondre ensuite pour libérer du 1,3-bisphosphoglycérate et le groupe thiol du résidu cystéine de l'enzyme.
Régulation
Cette protéine peut utiliser le morpheein modèle de régulation allostérique .
Fonction
Métabolique
Comme son nom l'indique, la glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase (GAPDH) catalyse la conversion du glycéraldéhyde 3-phosphate en D - glycérate 1,3-bisphosphate . Il s'agit de la 6ème étape de la dégradation glycolytique du glucose, une voie importante d'apport d'énergie et de molécules de carbone qui se déroule dans le cytosol des cellules eucaryotes. La conversion s'effectue en deux étapes couplées. La première est favorable et permet à la seconde étape défavorable de se produire.
Transcription et apoptose
La GAPDH peut elle-même activer la transcription . Le complexe de coactivateur transcriptionnel OCA-S contient de la GAPDH et de la lactate déshydrogénase , deux protéines que l'on pensait auparavant uniquement impliquées dans le métabolisme . La GAPDH se déplace entre le cytosol et le noyau et peut ainsi lier l'état métabolique à la transcription des gènes.
En 2005, Hara et al. ont montré que la GAPDH initie l' apoptose . Ce n'est pas une troisième fonction, mais peut être considérée comme une activité médiée par la liaison de GAPDH à l' ADN comme dans l'activation de la transcription, discutée ci-dessus. L'étude a démontré que la GAPDH est S-nitrosylée par le NO en réponse au stress cellulaire, ce qui l'amène à se lier à la protéine SIAH1 , une ubiquitine ligase . Le complexe se déplace dans le noyau où Siah1 cible les protéines nucléaires pour la dégradation , initiant ainsi un arrêt cellulaire contrôlé. Dans une étude ultérieure, le groupe a démontré que le déprényl , qui a été utilisé en clinique pour traiter la maladie de Parkinson , réduit fortement l'action apoptotique de la GAPDH en empêchant sa S-nitrosylation et pourrait donc être utilisé comme médicament.
Commutateur métabolique
GAPDH agit comme un interrupteur métabolique réversible sous stress oxydatif. Lorsque les cellules sont exposées à des oxydants , elles ont besoin de quantités excessives du cofacteur antioxydant NADPH . Dans le cytosol, le NADPH est réduit du NADP+ par plusieurs enzymes, trois d'entre elles catalysent les premières étapes de la voie des Pentose phosphate . Les traitements oxydants provoquent une inactivation de la GAPDH. Cette inactivation redirige temporairement le flux métabolique de la glycolyse vers la voie des pentoses phosphates, permettant à la cellule de générer plus de NADPH. Dans des conditions de stress, le NADPH est nécessaire à certains systèmes antioxydants, notamment la glutarédoxine et la thiorédoxine , tout en étant essentiel pour le recyclage du glutathion .
Transport ER à Golgi
La GAPDH semble également être impliquée dans le transport des vésicules du réticulum endoplasmique (RE) à l'appareil de Golgi qui fait partie de la route d'expédition des protéines sécrétées. Il a été constaté que la GAPDH est recrutée par rab2 dans les amas vésiculaires-tubulaires du RE où elle aide à former les vésicules COP 1 . La GAPDH est activée via la phosphorylation de la tyrosine par Src .
Fonctions supplémentaires
GAPDH, comme beaucoup d'autres enzymes, a de multiples fonctions. En plus de catalyser la 6e étape de la glycolyse , des preuves récentes impliquent la GAPDH dans d'autres processus cellulaires. La GAPDH a été décrite comme présentant une multifonctionnalité d'ordre supérieur dans le contexte du maintien de l'homéostasie cellulaire du fer, en particulier en tant que protéine chaperon pour l'hème labile dans les cellules. Cela a été une surprise pour les chercheurs, mais il est logique sur le plan de l'évolution de réutiliser et d'adapter les protéines existantes au lieu de faire évoluer une nouvelle protéine à partir de zéro.
Utiliser comme contrôle de chargement
Parce que le gène GAPDH est souvent exprimé de manière stable et constitutive à des niveaux élevés dans la plupart des tissus et des cellules, il est considéré comme un gène domestique . Pour cette raison, la GAPDH est couramment utilisée par les chercheurs en biologie comme contrôle de charge pour le western blot et comme contrôle pour la qPCR . Cependant, les chercheurs ont signalé une régulation différente de la GAPDH dans des conditions spécifiques. Par exemple, il a été démontré que le facteur de transcription MZF-1 régule le gène GAPDH. L'hypoxie régule également fortement GAPDH. Par conséquent, l'utilisation de GAPDH comme contrôle de chargement doit être considérée avec soin.
Distribution cellulaire
Toutes les étapes de la glycolyse ont lieu dans le cytosol , de même que la réaction catalysée par la GAPDH. Dans les globules rouges , la GAPDH et plusieurs autres enzymes glycolytiques s'assemblent en complexes à l'intérieur de la membrane cellulaire . Le processus semble être régulé par la phosphorylation et l'oxygénation. Le rapprochement de plusieurs enzymes glycolytiques devrait augmenter considérablement la vitesse globale de dégradation du glucose. Des études récentes ont également révélé que la GAPDH est exprimée de manière dépendante du fer à l'extérieur de la membrane cellulaire a où elle joue un rôle dans le maintien de l'homéostasie du fer cellulaire.
Signification clinique
Cancer
La GAPDH est surexprimée dans plusieurs cancers humains, tels que le mélanome cutané , et son expression est positivement corrélée avec la progression tumorale. Ses fonctions glycolytiques et anti-apoptotiques contribuent à la prolifération et à la protection des cellules tumorales, favorisant la tumorigenèse . Notamment, GAPDH protège contre le raccourcissement des télomères induit par les médicaments chimiothérapeutiques qui stimulent le sphingolipide céramide . Pendant ce temps, des conditions telles que le stress oxydatif altèrent la fonction GAPDH, entraînant le vieillissement cellulaire et la mort. De plus, la déplétion de GAPDH a réussi à induire la sénescence dans les cellules tumorales, présentant ainsi une nouvelle stratégie thérapeutique pour contrôler la croissance tumorale.
Neurodégénérescence
La GAPDH a été impliquée dans plusieurs maladies et troubles neurodégénératifs, en grande partie par le biais d'interactions avec d'autres protéines spécifiques à cette maladie ou à ce trouble. Ces interactions peuvent affecter non seulement le métabolisme énergétique mais également d'autres fonctions de GAPDH. Par exemple, les interactions de la GAPDH avec la protéine précurseur bêta-amyloïde (betaAPP) pourraient interférer avec sa fonction concernant le cytosquelette ou le transport membranaire, tandis que les interactions avec la huntingtine pourraient interférer avec sa fonction concernant l'apoptose, le transport de l' ARNt nucléaire , la réplication de l' ADN et la réparation de l'ADN . De plus, une translocation nucléaire de GAPDH a été rapportée dans la maladie de Parkinson (MP) et plusieurs médicaments anti-apoptotiques contre la MP, tels que la rasagiline , agissent en empêchant la translocation nucléaire de GAPDH. Il est proposé que l'hypométabolisme puisse être un contributeur à la MP, mais les mécanismes exacts sous-jacents à l'implication de la GAPDH dans les maladies neurodégénératives restent à clarifier. Le SNP rs3741916 dans l' UTR 5' du gène GAPDH peut être associé à la maladie d'Alzheimer à début tardif .
Interactions
Partenaires de liaison aux protéines
GAPDH participe à un certain nombre de fonctions biologiques par ses interactions protéine-protéine avec :
- tubuline pour faciliter le regroupement des microtubules;
- l'actine pour faciliter la polymérisation de l'actine ;
- VDAC1 pour induire la perméabilisation de la membrane mitochondriale (MMP) et l'apoptose ;
- Récepteur de l'inositol 1,4,5-triphosphate pour réguler la signalisation intracellulaire du Ca2+ ;
- Oct-1 pour former le complexe coactivateur OCA-S, qui est nécessaire à la synthèse des histones H2B pendant la phase S du cycle cellulaire ;
- p22 pour faciliter l' organisation des microtubules ;
- Rab2 pour faciliter le transport du réticulum endoplasmique (RE) -Golgi ;
- Transferrine à la surface de diverses cellules et dans le liquide extracellulaire ;
- Lactate déshydrogénase ;
- lactoferrine;
- Endonucléase apurinique/apyrimidinique ( APE1 ), convertissant ainsi l'APE1 oxydée en sa forme réduite, pour relancer son activité endonucléase ;
- Protéine de leucémie promyélocytaire (PML) d'une manière dépendante de l' ARN ;
- Rheb pour séquestrer la GTPase dans des conditions d'hypoglycémie ;
- Siah1 pour former un complexe qui se déplace vers le noyau, où il ubiquitine et dégrade les protéines nucléaires lors de conditions de stress nitrosatif ;
- Le concurrent de GAPDH de la protéine Siah améliore la vie (GOSPEL) pour bloquer l'interaction de GAPDH avec Siah1 et, ainsi, la mort cellulaire en réponse au stress oxydatif ;
- la protéine de liaison p300/ CREB (CBP), qui acétyle la GAPDH et, à son tour, améliore l'acétylation de cibles apoptotiques supplémentaires ;
- protéine kinase dépendante du Ca2+/calmoduline spécifique du muscle squelettique;
- Akt ;
- Protéine précurseur bêta-amyloïde (betaAPP);
- Huntingtine .
- GAPDH peut s'auto-associer en oligomères/agrégats homotypiques
Partenaires de liaison d'acide nucléique
GAPDH se lie à l'ARN et à l'ADN simple brin et un certain nombre de partenaires de liaison aux acides nucléiques ont été identifiés :
- ARNt ,
- ARN viral de l' hépatite A ,
- ARN viral de l' hépatite B ,
- ARN viral de l' hépatite C ,
- VPH3,
- ARNm de lymphokine ,
- ARNm d' IFN-γ ,
- ARNm du JEV , et
- ADN télomérique .
Inhibiteurs
Carte interactive des sentiers
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Les références
Lectures complémentaires
- Voet D, Voet JG (2010). Biochimie . New York : Wiley. ISBN 978-0-470-57095-1.
- Stryer L, Berg JM, Tymoczko JL (2002). Biochimie, cinquième édition et cahier de cours . San Francisco : WH Freeman. ISBN 978-0-7167-9804-0.
- diagramme du mécanisme de réaction GAPDH de Lodish MCB à la bibliothèque NCBI
- diagramme similaire d'Alberts The Cell à la bibliothèque NCBI
Liens externes
- Le PDBe-KB fournit un aperçu de toutes les informations de structure disponibles dans le PDB pour la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase humaine
