Physiological Role of Glutamate Dehydrogenase in Cancer Cells

Abstract

<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>NH</mml:mtext></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> increased growth rates and final densities of several human metastatic cancer cells. To assess whether glutamate dehydrogenase (GDH) in cancer cells may catalyze the reverse reaction of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>NH</mml:mtext></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> fixation, its covalent regulation and kinetic parameters were determined under near-physiological conditions. Increased total protein and phosphorylation were attained in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>NH</mml:mtext></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> -supplemented metastatic cells, but total cell GDH activity was unchanged. Higher <i>V</i> _max values for the GDH reverse reaction vs. forward reaction in both isolated hepatoma (HepM) and liver mitochondria [rat liver mitochondria (RLM)] favored an <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>NH</mml:mtext></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> -fixing role. GDH sigmoidal kinetics with <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>NH</mml:mtext></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> , ADP, and leucine fitted to Hill equation showed <i>n</i> _<i>H</i> values of 2 to 3. However, the <i>K</i> _0.5 values for <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>NH</mml:mtext></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> were over 20 mM, questioning the physiological relevance of the GDH reverse reaction, because intracellular <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>NH</mml:mtext></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> in tumors is 1 to 5 mM. In contrast, data fitting to the Monod-Wyman-Changeux (MWC) model revealed lower <i>K</i> _m values for <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>NH</mml:mtext></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> , of 6 to 12 mM. <i>In silico</i> analysis made with MWC equation, and using physiological concentrations of substrates and modulators, predicted GDH N-fixing activity in cancer cells. Therefore, together with its thermodynamic feasibility, GDH may reach rates for its reverse, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msubsup><mml:mrow><mml:mtext>NH</mml:mtext></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow> </mml:msubsup> </mml:math> -fixing reaction that are compatible with an anabolic role for supporting growth of cancer cells.