Glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase

La glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (GAPDH) est une oxydoréductase qui catalyse la réaction :

  + NAD+ + Pi      NADH + H+ +  
Glycéraldéhyde-3-phosphate 1,3-Bisphosphoglycérate

Glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase

Tétramère de glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase humaine avec NAD en vert (PDB 3GPD).
Caractéristiques générales
Symbole GAPDH
N° EC 1.2.1.12
Homo sapiens
Locus 12p13.31
Masse moléculaire 36 053 Da[1]
Nombre de résidus 335 acides aminés[1]
Liens accessibles depuis GeneCards et HUGO.
Glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase spermatogène
Caractéristiques générales
Symbole GAPDHS
N° EC 1.2.1.12
Homo sapiens
Locus 19q13.12
Masse moléculaire 44 501 Da[1]
Nombre de résidus 408 acides aminés[1]
Liens accessibles depuis GeneCards et HUGO.

Cette enzyme intervient à la sixième étape de la glycolyse, donc dans la dégradation du glucose, qui libère de l'énergie métabolique et du pouvoir réducteur sous forme respectivement d'ATP et de NADH + H+. Outre cette fonction métabolique essentielle, on sait depuis peu que la GAPDH est impliquée dans plusieurs processus non métaboliques, tels que l'activation de la transcription, l'initiation de l'apoptose et le transfert de vésicules entre le réticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi.

Domaine C-terminal de la GAPDH
GAPDH de Pyrococcus horikoshii (PDB 2CZC)
Domaine protéique
Pfam PF02800
Clan Pfam CL0139
InterPro IPR020829
PROSITE PDOC00069
SCOP 1gd1
SUPERFAMILY 1gd1

Fonction métabolique

La GAPDH catalyse la seule réaction d'oxydation de la glycolyse ; elle porte sur la fonction aldéhyde du glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP) et produit un acyl-phosphate, le 1,3-bisphosphoglycérate. La réaction d'oxydation est couplée au transfert d'un phosphate inorganique sur la molécule de GAP et à la réduction d'un NAD+ en NADH + H+.

La GAPDH catalyse également la réaction inverse lorsque la néoglucogenèse prédomine sur la glycolyse.

Le mécanisme catalytique de la GAPDH est constitué de deux étapes[2]:

  • Réaction d'oxydo-réduction
Après la liaison du glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP) sur le site actif de l'enzyme, le groupement sulfhydryle (-SH) de la cystéine 149 du site catalytique réalise une attaque nucléophile de la fonction aldéhyde du G3P et forme un thiohémiacétal intermédiaire (catalyse covalente). Le thiohémiacétal subit alors une oxydation en acyl-thioester par le NAD+ lié à l'enzyme. L'énergie fournie par l'oxydation de la fonction aldéhyde permet en plus de la réduction d'un NAD+ en NADH, la synthèse d'un thioester intermédiaire, possédant une liaison à haut potentiel énergétique. Le transfert des deux électrons et du proton entre le G3P et la NAD+ est assisté par l'histidine 176 du site catalytique de l'enzyme.
  • Phosphorylation
Après remplacement du NADH formé par une nouvelle molécule de NAD+, l'acyl-thioester intermédiaire subit une attaque nucléophile par un phosphate inorganique. Un acide 1,3-bisphosphoglycérique, un anhydride mixte à haut potentiel énergétique, est libéré et l'enzyme est régénérée.

Pour un schéma du mécanisme réactionnel de la GAPDH, de Molecular Cell Biology, Lodish, H, (200) 4th edition. W. H. Freeman.

La réaction catalysée par la GAPDH illustre comment l'énergie libérée dans une réaction d'oxydation est utilisée pour fabriquer un composé possédant une liaison à haut potentiel énergétique. Il s'agit d'un couplage énergétique par un mécanisme de transfert d'énergie entre une réaction d'oxydation exergonique et une réaction de phosphorylation d'un substrat endergonique. Dans l'étape suivante de la glycolyse (étape 7), l'énergie transférée dans l'acide 1,3-bisphosphoglycérique sera utilisé pour fabriquer une molécule d'ATP.

Caractéristiques structurales

La GAPDH est un homotétramère dont les sous-unités ont une masse moléculaire variant de 34 à 38 kDa. Une sous-unité est composée d'environ 330 acides aminés qui se replient en formant deux domaines. Le premier domaine est impliqué dans la fixation du cofacteur (NAD+) : chacune des sous-unités fixe donc une molécule de NAD+. Le second domaine est impliqué dans la fixation du substrat et dans la catalyse : ce domaine contient la cystéine 149 et l'histidine 176, deux résidus essentiels au mécanisme catalytique.

Localisation cellulaire

L'ensemble des réactions de la glycolyse ayant lieu dans le cytosol, la GAPDH est une enzyme cytosolique. Des études de la membrane plasmique des globules rouges ont toutefois montré que certaines enzymes de la glycolyse, l'aldolase, la phosphofructokinase et la GAPDH, se lient de manière spécifique et réversible à la partie cytoplasmique de la protéine membranaire bande 3 (canal anionique).

Fonctions non métaboliques

La GAPDH est souvent utilisée en expérimentations, afin de normaliser les résultats obtenus pour d'autres protéines cellulaires. Exemples : qPCR, WB, etc.

Les autres classes de GAPDH

En plus de la GAPDH décrite précédemment, il existe deux autres classes de GAPDH qui se distinguent de la précédente par leur fonction enzymatique, leur localisation cellulaire et leur spécificité vis-à-vis du cofacteur, NAD ou NADP.

  • GAPDH chloroplastiques (EC 1.2.1.13)[3], retrouvées spécifiquement dans les chloroplastes des organismes photosynthétiques où elles interviennent dans le cycle de Calvin. Cette classe de GAPDH possède une préférence pour le NADP+, cohérente avec son implication dans une voie anabolique. Les enzymes de cette classe catalysent la déphosphorylation réductrices du 1,3-DPG en G3P en parallèle avec l'oxydation d'une molécule de NADPH.
  • GADPH non phosphorylantes (EC 1.2.1.9)[4], cytosoliques, qui catalysent l'oxydation irréversible du G3P en 1-3 Biphosphoglycérate en présence de NADP+ et d'une molécule d'eau.

Notes et références
  1. Les valeurs de la masse et du nombre de résidus indiquées ici sont celles du précurseur protéique issu de la traduction du gène, avant modifications post-traductionnelles, et peuvent différer significativement des valeurs correspondantes pour la protéine fonctionnelle.
  2. S. Moniot et al., « Trapping of the thioacylglyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase intermediate from B.stearothermophilus », JBC, vol. 283,‎ , p. 21683-21702 (lire en ligne)
  3. G. Ferri, G. Comerio, P. Ladarola, M.C. Zapponi, M.L. Speranza, « Subunit structure and activity of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase from sinach chloroplasts », Biochem Biophys Acta., vol. 522, no 1,‎ , p. 19-31.
  4. A.A. Iglesias et M. Losada, « Purification and kinetic and structural properties of spinach leef NADP-dependent nonphosphorylating glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase », Arch Biochem Biophys., vol. 260, no 2,‎ , p. 830-40.

Références bibliographiques
  • (fr) Biochimie générale, J.H. Weil (1990), sixième édition. Masson.
  • (en) Molecular biology of the cell, B. Alberts & al. (2002), fourth edition. Garland Science.
  • (en) Biochemistry, J.G. Voet, D. Voet (1995), second edition. John Wiley & sons, Inc.
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