1. Les familles de déshydrogénases

2. Les déshydrogénases à NAD(P)+

2a. Structure quaternaire (IV)

2b. Structure tertiaire (III) : les 2 domaines de l'alcool-DH NAD-dépendante

3. Structure du domaine liant le NAD ("Pli Rossmann")

4. Motif β1-αA-β2 de la lactate-DH lié au NAD

5. Mécanisme de transfert de H de l'éthanol à la nicotinamide (alcool-DH)

6. Représentation de la poche qui accomode la nicotinamide et stéréoisomérie du groupement carboxamide

7. Séquence des acides aminés du motif β1-αA-β2 de l'alcool, de la lactate et de la G-3-P DH

8. La glutamate déshydrogénase EC 1.4.1.4

1. Les familles de déshydrogénases

La base de données PFAM ("Protein families database of alignments and HMMs") contient 11912 familles de protéines (Octobre 2009).

En choisissant l'option "Keyword search" et en tapant "dehydrogenase", on obtient 166 familles d'oxydo-réductases.

Remarque : le groupe des déhydrogénases à NAD(P)+ (E. C. 1.4.1.X ) est un sous-ensemble du groupe des oxydoréductases (E. C. 1.X.X.X)

Ces familles ne contiennent pas le même nombre de membres, par exemple :

2. Les déshydrogénases à NAD(P)+

Les co-enzymes nicotinamide adénine dinucléotide NAD⁺ et NADP⁺ ne se distinguent que par un groupement phosphate sur le carbone 2' du ribose lié à l'adénine.

Ils sont donc extrêmement proches du point de vue structural.

Cependant, les déshydrogénases (DH) qui participent aux voies de biosynthèse réductrices (anabolisme) utilisent essentiellement le NADP⁺ et les déshydrogénases qui participent aux voies de dégradation oxydatives (catabolisme) emploient quasi exclusivement le NAD⁺.

Cette discrimination entre les deux formes du co-enzyme est un exemple admirable du pouvoir de reconnaissance des molécules par les enzymes en général et pas les déshydrogénases en particulier.

2a. Structure quaternaire (IV)

Les déshydrogénases sont souvent des enzymes multimériques constituées de 2, 4 ou 6 sous-unités identiques.

Ci-contre la structure quaternaire (assemblage des sous-unités) de la glutamate DH. L'une des 6 sous-unités est en orange.

2b. Structure tertiaire (III) : les 2 domaines de l'alcool-DH NAD-dépendante

Les séquences en acides aminés des DH n'ont que peu d'homologie.

Les DH sont structurées en deux domaines :

• un domaine de fixation du NAD(P)⁺. Ces domaines ont des structures tridimensionnelles très semblables
• un domaine de fixation du substrat qui est spécifique de la DH considérée (lactate DH, malate DH, alcool DH ...). Ces domaines ont des structures très différentes. En effet, chaque domaine a une topologie optimisée pour assurer la spécificité de reconnaissance du substrat.

Source : "Introduction à la structure des protéines" - C. Branden & J. Tooze (1996) - ed. De Boeck Université

Ces 2 domaines sont reliées par une région dite "charnière" (hinge-bending") qui assure la souplesse conformationnelle nécessaire à l'activité catalytique.

Le rapprochement des 2 domaines exclue les molécules de solvant lors de la catalyse.

Le centre actif (site de fixation et site catalytique) est constitué par les acides aminés du sillon inter-domaine.

3. Structure du domaine liant le NAD ("Pli Rossmann")

Voir un rappel sur les structures secondaires.

Source : C. Branden & J. Tooze (1996)

4. Motif β1-αA-β2 de la lactate-DH lié au NAD

La présence de chaînes latérales hydrophobes à certaines positions (en vert sur la figure ci-contre) est nécessaire pour l'empilement des brins β contre les hélices α.

Le motif qui contient 31 résidus (de la lysine 22 à l'aspartate 52 en rouge) permet à cet aspartate de former une liaison hydrogène avec le 2'OH de l'adénosine.

Source : C. Branden & J. Tooze (1996)

5. Mécanisme de transfert de H de l'éthanol à la nicotinamide (alcool-DH)

La position spatiale du noyau nicotinamide du NAD⁺ et du substrat (l'éthanol dans cet exemple) explique la très haute stéréospécificité du transfert de l'ion hydrure sur le carbone 4 de la nicotinamide.

Dans l'alccol DH, un atome de zinc du site catalytique établit une liaison avec la fonction alcool du substrat.

Cette liaison s'ajoute à celles qui stabilisent de manière optimale le substrat dans le site catalytique et, en polarisant la liaison C-OH de la fonction alcool du substrat, elle facilite le transfert de l'atome d'hydrogène.

Source : C. Branden & J. Tooze (1996) 

Stéréospécificité du transfert de l'atome d'hydrogène

La réaction est : NAD(P)⁺ + H₂ <==> NAD(P)H

Lors de la déshydrogénation (H₂ = 2 H⁺ + 2 e^-) du substrat, les transferts suivants s'opèrent :

• l'atome d'hydrogène (H⁺ + e^-) est transféré sur le carbone 4 de la nicotinamide
• l'électron de l'atome d'hydrogène du groupement hydroxyle est transféré sur l'azote de la nicotinamide et neutralise la charge positive du groupement nicotinique
• l'ion hydrure (H⁺) restant est éliminé dans le milieu

6. Représentation de la poche qui accomode la nicotinamide et stéréoisomérie du groupement carboxamide

Les déshydrogénases sont divisées en 2 classes : A et B, en fonction de la stéréospécificité du transfert de l'atome d'hydrogène sur l'atome C4 de la nicotinamide.

Le cycle est asymétrique à cause du substituant sur le C3 : le groupement carboxamide.

En conséquence, les 2 atomes d'hydrogène sur le C4 dans la forme réduite (au-dessus et au dessous du cycle nicotinamide) ne sont pas équivalents.

La GAPDH appartient à la classe B : l'atome d'hydrogène est transféré du substrat vers la position au-dessous du cycle (en vert).

Source : C. Branden & J. Tooze (1996)

L'aspartate en rouge est conservé comme l'indique l'alignement ci-contre : alcool, lactate et glycéraldéhyde-3 phosphate déshydrogénases.

• dans le cas des déshydrogénases à NAD , cet aspartate établit une liaison avec le 2'-OH du ribose de l'adénosine
• comme, il est chargé négativement, il empêche aussi la fixation du NADP+, chargé négativement (groupement phosphoryle)

Celà permet aux déshydrogénases de discriminer les deux formes du coenzyme.

Source : C. Branden & J. Tooze (1996)

Les déshydrogénases à NADP+ (exemple : la thréonine déshydrogénase) ont pour leur part :

• une glycine conservée à la place de l'aspartate. Le faible encombrement stérique de la chaîne latérale de Gly (H) permet au groupement phosphoryle de se placer
• une arginine conservée (à la place d'une Asn) dont la charge positive établit une liaison ionique avec le groupement phosphoryle

8. La glutamate déshydrogénase EC 1.4.1.4

A βαβ fold is found in the coenzyme-binding sub-domain (β7-α8-β8) of the three isoforms of glutamate dehydrogenases (EC 1.4.1.2, EC 1.4.1.3 and EC 1.4.1.4.

Source : Jaspard E. (2006)

This Rossmann fold begins with the motif G₃₁₃AGNVA₃₁₈ in the case of plant GDH4 (Ref).

By comparison, the motifs described in the literature are GXGXXG, GXGXXA and even GXGXXS as for example in the case of very large GDH from Streptomyces clavuligerus.

Modeling of the coenzyme-binding motifs and key residues of GDH4 from Chlorella sorokiniana with NADPH (NDP₅₆₂) and glutamate

Some interactions (plain lines) between the motif G₃₁₃AGNVA₃₁₈ or key residues and the coenzyme are indicated.

• NDP₅₆₂AO3 - Gly₃₁₃CA
• NDP₅₆₂AO1 - Asn₃₁₆ND2
• NDP₅₆₂AO1 - Val₃₁₇N
• NDP₅₆₂AO2 - Gly₂₄₄N
• NDP₅₆₂NC4 - Thr₂₈₅OG1

Source : Jaspard E. (2006)

The distances between the protonated carbon atom of the nicotinamide moiety (NDP₅₆₂NC4) are too long for direct interactions with the motif G₃₁₃AGNVA₃₁₈.

However, this motif is stabilized by the H-bond Gly₃₁₅O - Ala₃₁₈N (dotted line).

Two distances (Glu₅₅₇OE2 - Lys₁₆₆NZ and Glu₅₅₇O - Lys₁₉₀NZ) are compatible with salt-bridges between the enzyme and glutamate.

The position of the motif G₂₆₆VLTGKG₂₇₂ is shown with the potential H-bond Lys₁₆₆NZ - Thr₂₆₉OG1.

Global organization of GDH subunits

All GDHs share a common pattern called the central domain flanked by an N-terminal region of various lengths and, for large GDHs, by a shorter C-terminal one.

The upper scheme shows the structural features specific of the central domain from plant GDH4.

The length indicated includes the gaps generated by the alignment.

Source : Jaspard E. (2006)