Glycerin-Dehydrogenase

Glycerin-Dehydrogenase

Bändermodell der Glycerin-Dehydrogenase von Geobacillus stearothermophilus, komplexiert mit Glycerin; nach PDB 1JQA
Andere Namen	Glycerin:NAD⁺ 2-Oxidoreduktase (NC-IUBMB) Glycerol-Dehydrogenase NAD-verbundene Glycerin-Dehydrogenase
Vorhandene Strukturdaten: 4MCA, 3UHJ, 1TA9, 1JPU, 1JQ5
Masse/Länge Primärstruktur	367 Aminosäuren
Sekundär- bis Quartärstruktur	Homodimer und Homooktamer
Kofaktor	Zn²⁺
Bezeichner
Gen-Name(n)	gldA (EcoliWiki)
Externe IDs	UniProt P0A9S5
Enzymklassifikation
EC, Kategorie	1.1.1.6, Oxidoreduktase
Reaktionsart	Dehydrierung
Substrat	Glycerin + NAD⁺
Produkte	Dihydroxyaceton + NADH + H⁺
Vorkommen
Homologie-Familie	Hovergen
Übergeordnetes Taxon	Bakterien

Glycerin-Dehydrogenase ist ein Enzym, das in Bakterien die Dehydrierung von Glycerin zu Dihydroxyaceton katalysiert. Dieses Enzym gehört zur Familie der Oxidoreduktasen, wobei die Hydroxygruppe als Donator und NAD⁺ als Akzeptor fungiert.

Dieses Enzym ist insbesondere eine metallabhängige Alkoholdehydrogenase, die besonders im Glycerin-Metabolismus eine Rolle spielt. Außerdem wurde dieses Enzym bereits aus zahlreichen Bakterien isoliert, beispielsweise Geobacillus stearothermophilus, Klebsiella aerogenes (ehemals als Enterobacter aerogenes bzw. „Aerobacter aerogenes“ bezeichnet)^[1]^[2], Enterococcus faecalis,^[3] Erwinia aeroidea^[4] und Bacillus megaterium.^[5] Allerdings wurden die meisten Studien aufgrund der Thermostabilität mit dem Bakterium Geobacillus stearothermophilus durchgeführt.^[6]

Struktur

Die Glycerin-Dehydrogenase des thermophilen Bakteriums Geobacillus stearothermophilus ist ein Homooktamer in Lösung bestehend aus acht identischen Monomer-Untereinheiten, das wiederum aus einer einzigen Polypeptidkette von 370 Aminosäuren (entspricht einer molekularen Masse von ungefähr 39,5 kDa) besteht. Jede dieser Untereinheiten enthält neun β-Faltblätter (β1–β9), 14 α-Helices (α1–α14), vier 3₁₀-Helices und einige Schleifen, die zusammen zwei durch eine tiefe Spalte voneinander getrennte Domänen bilden. Das aktive Zentrum des Enzyms befindet sich innerhalb dieser Spalte und enthält ein katalytisches Zinkion zur Stabilisierung des Alkoxidintermediats.

Strukturanalytische Untersuchungen zeigen, dass das in der Spalte tiefgebundene, zweifach positive Zinkion durch Ion-Dipol-Wechselwirkungen mit den Resten Asp173, His256, His274 sowie einem Wassermolekül tetraedrisch koordiniert ist.

Die Faltung der N-terminalen NAD⁺-Bindungsdomäne ähnelt der in anderen Dinukleotid-bindenden Enzymen vorhandenen klassischen Rossmann-Faltung. Die NAD⁺-Bindungsdomäne der Dehydrochinat-Synthase von Aspergillus nidulans ist strukturell sehr ähnlich zur NAD⁺-Bindungsdomäne der Glycerin-Dehydrogenase. Dies hat evolutionäre Implikationen hinsichtlich der Aufklärung des genauen Ursprungs der strukturellen Ähnlichkeit dieser beiden Enzyme. Kontroverser ist die Aufklärung der Beziehung dieser beiden Enzyme zu Dinukleotid-bindenden Enzymen mit Rossmann-Faltung.^[7]

Funktion

Das Enzym katalysiert die Dehydrierung von Glycerin zu Dihydroxyaceton. Im Gegensatz zu den gängigen Stoffwechselwegen zur Verstoffwechslung von Glycerin oxidiert die Glycerin-Dehydrogenase effektiv das Glycerin in anaeroben Stoffwechselvorgängen unter ATP-unabhängigen Bedingungen, was ein nützlicher Mechanismus im Abbau von Glycerin in Bakterien darstellt. Zusätzlich oxidiert das Enzym selektiv eher die Hydroxygruppe am C2-Atom, um ein Keton zu bilden, anstatt eine terminale Hydroxygruppe zu oxidieren, um dafür ein Aldehyd zu bilden.^[8]

Katalysiertes Gleichgewicht

+ NAD⁺ $\ \rightleftharpoons \$ + NADH + H⁺

Glycerin wird durch die Glycerin-Dehydrogenase oxidiert und dehydriert. Neben dem Reduktionsäquivalent NADH entsteht hierbei Dihydroxyaceton.

Mechanismus

Mechanismus der Glycerin-Dehydrogenase

Nachdem NAD⁺ am Enzym gebunden ist, bindet sich das Glycerin an das aktive Zentrum, sodass zwei aufeinander abgestimmte Wechselwirkungen zwischen zwei benachbarten Hydroxygruppen und dem benachbarten Zinkion entstehen. Daraufhin katalysiert das Enzym die basisunterstützte Deprotonierung der Hydroxygruppe am C2-Atom, um ein Alkoholat zu bilden. Das Zinkatom dient zur Stabilisierung der negativen Ladung beim Alkoholat-Intermediat, bevor die überschüssige Elektronendichte um das Sauerstoffatom sich verlagert, um eine Doppelbindung mit dem C2-Atom zu bilden. Das Hydrid wird anschließend aus dem sekundären Kohlenstoff entfernt und wirkt nun als Nukleophil im Elektronentransfer zum Nicotinamid-Ring des NAD⁺. Als Ergebnis wurde das von der Basis entfernte Wasserstoffproton in die umgebende Lösung freigesetzt; darauf folgt die Freigabe des Dihydroxyacetons als Produkt, anschließend des NADH durch das Enzym.^[9]

Industrielle Bedeutung

Glycerin ist ein Nebenprodukt bei der Herstellung von Biodiesel. Als die Biodiesel-Produktion exponentiell stieg, wurde das Rohglycerin bei der Umesterung von pflanzlichen Ölen in großen Mengen erzeugt. Trotz der breiten Verwendung von reinem Glycerin in der Lebensmittelindustrie, Kosmetik, Pharmazie und vielen anderen Industrien, ist es vergleichsweise kostspielig, das Rohglycerin auf dem höchsten Reinheitsgrad aufzureinigen. In der Biotechnologie kann durch eine modifizierte enzymatische Stoffumsetzung des Rohglycerins zu einer breiten Palette an Produkten führen, z. B. 1,3-Propandiol, 1,2-Propandiol, Bernsteinsäure, Dihydroxyaceton, Wasserstoff, Polyglycerin und Polyester.

Klassifizierung

Unter den Glycerin-Dehydrogenasen findet eine weitere Klassifizierung statt:

Enzym	Enzymklassifizierung	Gen	UniProt	Reaktion	Anmerkung
Glycerin-Dehydrogenase (Akzeptor)	EC 1.1.99.22	–	–	Glycerin + Akzeptor $\rightleftharpoons$ Dihydroxyaceton + reduzierter Akzeptor	Besitzt Pyrrolochinolinchinon als Cofaktor.
Glycerin-Dehydrogenase (NADP⁺)	EC 1.1.1.72	gldB (AspGD)	Q7Z8L1	Glycerin + NADP⁺ $\rightleftharpoons$ D-Glycerinaldehyd + NADPH + H⁺	Nimmt am Glycerolipid-Metabolismus teil.
Glycerin-2-Dehydrogenase (NADP⁺)	EC 1.1.1.156	GCY1 (SGD)	P14065	Glycerin + NADP⁺ $\rightleftharpoons$ Dihydroxyaceton + NADPH + H⁺	Nimmt am Glycerolipid-Metabolismus teil.

Einzelnachweise

↑ Robert Main Burton, Nathan O. Kaplan: A DPN SPECIFIC GLYCEROL DEHYDROGENASE FROM AEROBACTER AEROGENES. In: Journal of the American Chemical Society. 75. Jahrgang, Nr. 4, Februar 1953, S. 1005–1006, doi: 10.1021/ja01100a520 (englisch).
↑ Ec Lin, B. Magasanik: The activation of glycerol dehydrogenase from Aerobacter aerogenes by monovalent cations. In: J. Biol. Chem. 235. Jahrgang, Nr. 6, Juni 1960, S. 1820–1823, PMID 14417009 (englisch, jbc.org [PDF]).
↑ N. J. Jacobs, P. J. VanDemark: COMPARISON OF THE MECHANISM OF GLYCEROL OXIDATION IN AEROBICALLY AND ANAEROBICALLY GROWN STREPTOCOCCUS FAECALIS. In: Journal of Bacteriology. 79. Jahrgang, Nr. 4, April 1960, S. 532–538, PMID 14406375 (englisch, asm.org [PDF]).
↑ Mamoru Sugiura, Tsutomu Oikawa, Kazuyuki Hirano, Hiroshi Shimizu, Fumio Hirata: Purification and Some Properties of Glycerol Dehydrogenase from Erwinia aroideae. In: Chemical & Pharmaceutical Bulletin. 26. Jahrgang, Nr. 3, 1978, S. 716–721, doi: 10.1248/cpb.26.716 (englisch, jst.go.jp).
↑ Margrit Scharschmidt, Gerhard Pfleiderer, Harald Metz, Wolfgang Brümmer: Isolierung und Charakterisierung von Glycerin-Dehydrogenase aus Bacillus megaterium. In: Hoppe-Seyler’s Zeitschrift für Physiologische Chemie. 364. Jahrgang, Nr. 2, 1983, S. 911–922, doi: 10.1515/bchm2.1983.364.2.911 (englisch).
↑ P. Spencer, K. J. Bown, M. D. Scawen, T. Atkinson, M. G. Gore: Isolation and characterisation of the glycerol dehydrogenase from Bacillus stearothermophilus. In: Biochemica et Biophysica Acta. 994. Jahrgang, Nr. 3, 23. Februar 1989, S. 270–279, doi: 10.1016/0167-4838(89)90304-X (englisch).
↑ S. N. Ruzheinikov, S. Sedelnikova, P. J. Baker, R. Taylor, P. A. Bullough, N. M. Muir, M. G. Gore, D. W. Rice: Glycerol dehydrogenase. structure, specificity, and mechanism of a family III polyol dehydrogenase. In: Structure. 9. Jahrgang, Nr. 9, September 2001, S. 789–802, doi: 10.1016/s0969-2126(01)00645-1, PMID 11566129 (englisch,).
↑ Betty N. Leichus, John S. Blanchard: Isotopic Analysis of the Reaction Catalyzed by Glycerol Dehydrogenase. In: Biochemistry. 33. Jahrgang, Nr. 48, 1994, S. 14642–14649, doi: 10.1021/bi00252a033, PMID 7981227 (englisch).
↑ Sharon Hammes-Schiffer and Stephen J. Benkovic: Relating Protein Motion to Catalysis. In: Annual Review of Biochemistry. 75. Jahrgang, Nr. 1, Juli 2006, S. 519–541, doi: 10.1146/annurev.biochem.75.103004.142800, PMID 16756501 (englisch).

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de