A GLUD1 (glutamát-dehidrogenáz 1) mitokondriális mátrixenzim, a glutamát-dehidrogenázok családjának tagja, mely fontos szerepet játszik a nitrogén- és glutaminsav-anyagcserében és az energia-homeosztázisban. E dehidrogenázt nagy mennyiségben expresszálják az agy, a máj, a hasnyálmirigy és a vese, de az izmok nem. A hasnyálmirigyben feltehetően az inzulinszekrécióban vesz részt. Idegszövetben, ahol a glutamát szintje más szövetekénél magasabb, a GLUD1 a glutamát bioszintézisében és katabolizmusában egyaránt részt vesz, ahogy feltehetően az ammónia hatástalanításában is. Szerkezet Gén bélyegkép|jobbra|429px|A GLUD1 gén szerkezete. A színséma:Glu-BD, NAD(P)-BD, antenna, főhélix
A humán GLUD1 13 exont tartalmaz, és a 10. kromoszómán található.
Bizonyíték van arra, hogy a GLUD1 retropozonként került át az X-kromoszómára, ahol intronmentes GLUD2-vé alakult véletlen mutációk és természetes kiválasztódás útján. A GLUD2 az idegrendszer szükségeihez idomult, ahol specifikusan expresszálódik. Fehérje bélyegkép|jobbra|500px|A GLUD1 doménszerkezete, minden domén eltérő színnel: Glu-BD, NAD(P)-BD, antenna, főhélix. Az allosztérikus szabályzók gömbbel láthatók. A GLUD1 e szerkezete 2 röntgenkrisztallográfia útján kimutatott szerkezet – 1 kötött GTP-vel és 1 kötött ADP-vel rendelkező – kombinációja., Bár nem valós a e rajz megmutatja az allosztérikus effektorok relatív helyét GLUD1-hez kötve. A NADPH és a Glu is látható. A GLUD1 hexamer. A monomeregységen: jobbára β-redőkből álló N-terminális Glu-BD (kötődomén), NAD-BD – - vagy -kötő domén, 48 aminosavas antennaszerű kiemelkedés található, mely a NAD-BD tetejéből ágazik ki. Az antennat emelkedő hélixből és eső véletlenszerű tekercses szálból áll, melynek C-terminális végén kis α-hélix van.
A NAD-BD a Glu-BD tetején található, amellyel együtt alkotja a katalitikus zsebet. Szubsztrátkötéskor a NAD-BD jelentősen elmozdul. E mozgás 2 részből áll: az egyik a NAD-BD egy hélixének hosszú tengelye mentén történő forgás, a másik az antenna körül az óra járásának megfelelően történő forgása, amely feltehetően visszahúzódik a zseb nyílásakor. Egy alegység zárulása összefügg a kis hélix szomszédos alegységbe való torzulásával a leszálló szálon. Az R496 e hélixen található.
A hexamer alapszerkezete halmozott trimerek dimere. A monomerek Glu-BD-i felelnek e mag felépítéséért. A monomerek helyzete olyan, hogy ne korlátozza a hélix körüli forgást. A trimer 3 alegységének antennái egymás körül forognak, és konformációs változáson mennek át, ahogy a katalitikus zseb nyílik és zárul. Az antenna alegységközi kommunikációs rész negatív kooperáció és allosztérikus szabályzás esetén.
A különböző forrásokból származó GLUD1 összehasonlításai alapján az antenna valószínűleg a protisztákban jelent meg a purinszabályzóhelyek előtt. Ez alapján az antenna szelektív előnnyel rendelkezik, és az állatok új funkciót adtak a fehérjének az allosztérikus szabályzással.
A GLUD1 hosszú szálakat képezhet a hexamerek végközi asszociációjával. Ez nem kapcsolódik a katalitikus aktivitáshoz, de fontos szerepe lehet, például multienzimkomplexek-képzés.
A GLUD1 két koenzimkötőhellyel rendelkezik: egy a NAD-BD-ben, ahol -t vagy -t köthet, és közvetlenül érintett a katalitikus folyamatban, és egy másik szabályzó kötőhely közvetlenül a főhélix alatt, mely ADP-t -t vagy NADH-t köt, de nem köt jól NADPH-hoz. Funkció A GLUD1 a Glu oxidatív deaminációját katalizálja 2-oxoglutaráttá és szabad -ná vagy kofaktorral. A reakció egy hidridion áthelyezésével történik a Glu Cα-járól a -ra, 2-iminoglutarátot adva, amelyet 2-oxoglutaráttá és -ná hidrolizál. A reakcióegyensúly standard körülmények közt a Glu-képződésnek kedvez az -nal szemben (. Ezért korábban feltételezték, hogy az ammónia detoxifikációjában is szerepet játszik: mivel a magas [] toxikus, ez az egyensúly fiziológiásan alapvető, mivel segítene az alacsony []. Azonban egyes olyan emberekben, akiknél a hiperinzulinémia egy bizonyos formája miatti hiperammonémia jelentkezik, az enzim aktivitása a lecsökkent GTP-szenzitivitás miatt magasabb, és a vér ammóniaszintje kissé magasabb, ami nem lenne várható egyensúlyi körülmények közt működő enzim esetén. Kölcsönhatások Kötőpartnerekkel ADP Az ADP a NAD-BD mögött, a főhélix mellett – a speciális ADP-allosztérikushelyen köt. Az adenozin lefelé köt hidrofób zsebbe, míg a ribóz és a foszfátok kifelé, a GTP-hely irányába kötnek.
NADH is köthet az ADP-helyen nagy koncentrációban, ami általában inhibeálja az enzimet. GTP A GTP-kötést a Pi és az ADP gátolja, a nem katalitikus allosztérikus helyen kötött NADH viszont segíti. A GTP és az enzim közti kapcsolat jelentős része a trifoszfátból származik. A GTP-kötő hely lehet a „szenzor”, mely kikapcsolja az enzimet magas energia esetén. A GTP a NAD-BD és az antenna közt köt.
Míg a GLUD1–GTP kölcsönhatások java a β- és γ-foszfát által történik, specifikus kölcsönhatások ismertek az E346 és K343 aminosavakkal, amik a guanozint preferálják az adenozinhoz képest.
Nyitott konformációban a GTP-kötő hely nem tud GTP-t kötni. Szabályzás Mikor a GLUD1 szubsztrátjai által erősen feltöltött, egy inhibitorkomplex kerül az aktív helyre: NAD(P)H·Glu az oxidatív deaminációs reakcióban és ·2-oxoglutarát reduktív aminációban, alacsony pH mellett. A GLUD1 alapállapotban van allosztérikus effektor hiányában függetlenül attól, hogy működnek-e az allosztérikus helyek. A GLUD1 allosztérikus szabályzói – ADP, GTP, Leu, NAD+ és NADH – hatásukat a katalitikus zseb nyitásához és zárásához szükséges energia változtatásával érik el, vagyis a megszakító komplexeket destabilizálják, illetve stabilizálják. Aktivátorok nem szükségesek a GLUD1 katalitikus működéséhez, mivel hiányukban is aktív (alapállapot). A GLUD1 alapállapota feltehetően olyan szerkezet (nyitott katalitikus zseb), ami lehetővé teszi a katalitikus aktivitást függetlenül attól, hogy az allosztérikus helyek működnek-e. A GLUD1-szabályzás különös biológiai jelentőségű, amit igazolnak a GLUD1 szabályzó mutációi, melyek gyermekekben klinikai tüneteket mutatnak. ADP Az ADP mint a két fő aktivátor egyike (a másik a ) destabilizálja a megszakító komplexeket, és csökkenti a negatív kooperativitást. Szubsztrát hiányában és kötött ADP-vel a katalitikus zseb nyitott, és a GLUD1 hexamerek hosszú polimereket alkotnak a kristálycellában – több kölcsönhatást mutatva, mint a megszakítókomplexben. Ez megfelel annak, hogy az ADP segíti az aggregátumképzést oldatban. A katalitikus zseb nyílásakor az R516 az ADP foszfátjai felé fordul. A katalitikus zseb nyílása összefügg az R516 és az ADP foszfátjai közti távolsággal. Így az ADP aktiválja a GLUD1-et a katalitikus zseb megnyitásának könnyítésével, amely csökkenti a termékaffinitást és könnyíti a termékfelszabadítást, lehetővé téve a GLUD1 nem katalitikus megszakító komplexeinek összehangolását.
A magas [ADP] általi inhibíciót korábban az ADP és az aktív helyen lévő koenzim adenozincsoportja közti versengésnek tulajdonították. Ismert, hogy e hatást nem befolyásolja a H507Y vagy az R516A. ATP Az ATP összetett koncentrációfüggő hatást mutat: Alacsony [ATP]: inhibíció a GTP-kötő helyen keresztül, mivel eliminálja a H507Y. Az ATP affinitása a GTP-helynél mintegy 1000-szer kisebb, mint a GTP-é, mivel a β- és γ-foszfát kölcsönhatásai a GTP-hely fő meghatározói. Közepes [ATP]: aktiváció, melyet az ADP-effektorhely mediál, és melyet az R516A szinte teljesen eltávolít. Itt a nukleotidcsoport a kötés fő meghatározója. Magas [ATP]: inhibíció, melyet egy harmadik helyhez való kötés mediál, mely adeninspecifikus. Ezt a H507Y vagy az R516A nem befolyásolják. Mint az ADP-nél, ennek oka lehet az ATP és az aktív helyi koenzim adenozinrészének versengése. GTP A GTP gátolja az enzimatikus aktivitást számos körülményben: növeli a GLUD1 affinitását a termékhez, a termékfelszabadítást sebességmeghatározóvá téve GTP jelenlétében. A GTP a katalitikus zsebet zárva tartja, stabilizálva a megszakító komplexeket. A GTP GLUD1-re gyakorolt hatásai nem korlátozódnak az alegységre, ahol található, és az antenna fontos szerepet játszik e gátlás más alegységek felé közvetítésében. Leu A Leu a GLUD1-et ADP-függetlenül aktiválja speciális allosztérikus hellyel az alegységek közti felületen. A HI/HA szindróma esetén jelentkező emelkedett válaszok Leu-stimulációra a GTP-gátlásra való csökkent érzékenységgel együtt a GLUD1 gátló irányításának fiziológiás fontosságát emelik ki.
A NAD(P)(H) egy második helyhez is köthet minden alegységen. E hely a NAD(H)-t 10-szer jobban köti, mint a NADP(H)-t, és a redukált formákat jobban köti. Bár feltételezték, hogy a redukált koenzim e helyen inhibeálja, míg az oxidált aktiválja a reakciót, a hatás még ismeretlen. NADH A NADH a GLUD1 további allosztérikus gátlója. Foszfát A foszfát és más bivalens anionok stabilizálják a GLUD1-et. Újabb szerkezeti tanulmányok szerint a foszfát a GTP-helyhez köt. Klinikai jelentőség A GLUD1-mutációk miatti familiális hiperinzulinémia jellemzője a hipoglikémia, mely lehet súlyos, újszülöttkorban megjelenő, nehezen kezelhető betegség vagy gyermekkorban megjelenő betegség enyhe tünetekkel és nehezen diagnosztizálható hipoglikémiával. Az újszülöttkorban jelentkező betegség órákkal–2 nappal születés után mutatja tüneteit, míg a gyermekkorban jelentkező az élet első hónapjaiban, éveiben jelentkezik. Előbbi nem specifikus tüneteket mutathat, például rohamokat, hypotoniát, rossz evést vagy apnoét. Súlyos eseteben a szérum-glükózkoncentráció rendkívül alacsony, így könnyen felismerhető, míg enyhébb esetekben a változó vagy enyhe hypoglycaemia megnehezíti a diagnózist. Még családon belül is változhat a betegség súlyossága. Az autoszomális recesszív familiális hiperinzulinémiások – például amit az ABCC8 vagy a KCNJ11 mutációja okoz – általában nagyobb tömegűek, mint a terhesség időtartama alapján várható, és általában súlyos visszatérő hipoglikémiát mutatnak életük első 48 órájában, amit csak részben javít általában az étrend vagy a gyógyszer (diazoxidterápia), így hasnyálmirigy-reszekciót igényelhet. Autoszomális domináns FHI-KATP esetén a születési tömeg a várandósság időtartamának megfeelő, és tünetei nagyjából 1 éves kortól jelentkeznek (2 naptól 30 évig), és általában mutat javulást étrend és diazoxidterápia esetén. Ezek alól azonban vannak kivételek: az FHI-GCK, melyet a glükokináz mutációja okoz, enyhébb lehet, mint a FHI-KATP, de egyes embereknél súlyos, diazoxid által nem befolyásolt hipoglikémia alakulhat ki. Az FHI-HADH, melyet a HADH mutációi okoznak, általában enyhe, de súlyos esetek is ismertek. Az FHI-HNF4A-val (HNF4A-mutáció miatti hiperinzulinémia) élők születéskor általában nagyobbak, mint a hasonló idő után születettek, tüneteik enyhék, és a diazoxidkezelésre reagálnak. Az FHI-UCP2, melyet az UCP2 mutációi okoznak, a diazoxidra reagáló FH1 egy ritka oka. A hiperammonémia/hiperinzulinémia (HA/HI) összefügg az enyhe-közepes hiperammonémiával és a viszonylag enyhe, későn megjelenő hipoglikémiával; a legtöbb (de nem minden) érintettnek van GLUD1-mutációja. Klinikai jellemzők Az FHI jellemzője a hipoglikémia, mely újszülöttkorban megjelenő nehezen kezelhető betegségtől gyermekkorban megjelenő betegségig terjedhet enyhe tünetekkel és nehezen diagnosztizálható hipoglikémiával. A gyermekkorban megjelenő változat az élet első hónapjaiban vagy éveiben jelenik meg. Újszülöttkorban a tünetek lehetnek nem specifikusak, lehetnek köztük rohamok, rossz táplálkozás és apnoé. Súlyos esetben a szérum glükózszintje általában rendkívül alacsony, így könnyen felismerhető, míg enyhe esetekben a változó és enyhe hipoglikémia megnehezítheti a diagnózist. A betegség tünetei családon belül is az enyhétől a súlyosig terjedhetnek. Diagnózis