Glycerin-Dehydrogenase
# Glycerin-Dehydrogenase

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), Enterococcus faecalis, Erwinia aeroidea und Bacillus megaterium. Allerdings wurden die meisten Studien aufgrund der Thermostabilität mit dem Bakterium Geobacillus stearothermophilus durchgeführt.

## Struktur

Die Glycerin-Dehydrogenase ist ein Homooktamer bestehend aus acht identischen Monomer-Untereinheiten, die wiederum aus einer einzelnen Polypeptidkette von 367 Aminosäuren bestehen. Jede dieser Untereinheiten enthält 9 β-Faltblätter und 14 α-Helices innerhalb von zwei verschiedenen Domänen (der N-Terminus beinhaltet 162 und der C-Terminus 206 Aminosäuren). Der Bereich zwischen den beiden Termini dient als aktives Zentrum des Enzyms. Das aktive Zentrum besteht aus einem gebundenen Metallion, einem Bindungszentrum für den Nicotinamid-Ring und einer Bindungsstelle für das Substrat.

Untersuchungen haben gezeigt, dass das aktive Zentrum ein $Zn^{2+}-Ion$ als Cofaktor enthält. Diese Zinkionen bilden tetraedrische Dipol-Wechselwirkungen zwischen den Aminosäureresten Asp173, His256 und His274, sowie einem Wassermolekül aus.

Die $NAD^+-Bindungsstelle,$ die sich der Rossmann-Faltung innerhalb der N-terminalen Domäne ähnelt, erstreckt sich von der Oberfläche des Enzyms bis zur Spalte, die das aktive Zentrum enthält. Durch den Nicotinamid-Ring (aktiver Bereich von $NAD^+)$ kommt es zur Bildung einer hydrophoben Tasche, bestehend aus den Aminosäureresten Asp100, Asp123, Ala124, Ser127, Leu129, Val131, Asp173, His174 und Phe247.

Schließlich besteht die Substratbindungsstelle aus den Resten Asp123, His256, His274 sowie einem Wassermolekül.

## 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.

## Katalysiertes Gleichgewicht

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

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

## Mechanismus

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.

## 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. |
