Einführung in Transferasen

Transferasen sind eine Enzymklasse, die spezifische funktionelle Gruppen von einem Molekül (Donor) auf ein anderes (Akzeptor) überträgt. Transferasen sind an Hunderten unterschiedlicher biochemischer Signal- und Stoffwechselwege beteiligt und für einige der wichtigsten Lebensprozesse essenziell. Transferasen wirken an einer Vielzahl zellulärer Reaktionen mit und werden zudem während der Translation genutzt. Mechanistisch würde ein Enzym, das die folgende Reaktion katalysiert, als Transferase eingestuft:

Transferase Introduction Abbildung 1. Redoxreaktion.

wobei X der Donor ist, häufig ein Coenzym, und Y der Akzeptor. „Gruppe“ bezeichnet die funktionelle Gruppe, die infolge der Transferaseaktivität übertragen wird.

Nomenklatur

Systematische Namen von Transferasen basieren auf dem Schema „Donor:Akzeptor-Gruppentransferase“. Beispielsweise ist Methylamin:L-Glutamat-N-Methyltransferase die normative Bezeichnung für die Transferase Methylamin-Glutamat-N-Methyltransferase, wobei „Methyltransferase“ die EC-Kategorie darstellt, Methylamin der Donor und L-Glutamat der Akzeptor ist. In der Praxis wird jedoch häufig eine Nomenklatur in der Form „Akzeptor-Gruppentransferase“ oder „Donor-Gruppentransferase“ verwendet. Viele Moleküle werden dabei aufgrund der Verwendung gebräuchlicher Trivialnamen nicht explizit genannt.

Historie

Bereits in den 1930er-Jahren wurden einige der wichtigsten Transferasen entdeckt. Die Transaminierung, d. h. die Übertragung einer NH₂-Gruppe von einer Aminosäure auf eine Ketosäure durch eine Aminotransferase, wurde 1930 erstmals beobachtet, nachdem Glutaminsäure aus Taubenbrustmuskel verschwand; dies wurde später durch die Aufklärung des Reaktionsmechanismus im Jahr 1937 bestätigt. Diese reversible Reaktion ließ sich auch auf andere Gewebe übertragen und bildete die Grundlage für die Annahme, dass ähnliche Übertragungen einen zentralen Weg zur Aminosäurebiosynthese über Aminogruppen-Transfer darstellen. Später wurde 1953 das Enzym UDP-Glucose-Pyrophosphorylase als Transferase identifiziert, da es reversibel UTP und G1P aus UDP-Glucose und einem organischen Pyrophosphat erzeugen kann. Eine weitere historisch bedeutsame Entdeckung im Bereich der Transferasen war die Aufklärung des Abbaumechanismus von Catecholaminen durch Catechol-O-Methyltransferase, die einen wesentlichen Anteil an Julius Axelrods Nobelpreis für Physiologie oder Medizin 1970 hatte.

Klassifikation

Die Klassifikation der Transferasen wird aufgrund der fortlaufenden Entdeckung neuer Enzyme weiterhin erweitert. Die Kategorie der Transferasen wird primär nach der Art der übertragenen biochemischen Gruppe beschrieben und kann gemäß EC-Nummernklassifikation in zehn Gruppen unterteilt werden. Diese umfasst mehr als 450 unterschiedliche, eindeutig definierte Enzyme, denen im EC-Nummerierungssystem die Kennziffer EC 2 zugeordnet ist. Wasserstoff wird im Kontext von Transferase-Substraten nicht als funktionelle Gruppe anerkannt. Stattdessen wird der Wasserstofftransfer aufgrund des Elektronentransfers den Oxidoreduktasen zugeordnet.

EC-Nummer	Beschreibung
EC 2.1	Ein-Kohlenstoff-Transferasen unter EC 2.1 sind Enzyme, die Ein-Kohlenstoff-Gruppen übertragen, einschließlich funktioneller Gruppen mit Hydroxymethyl-, Methyl-, Carboxy-, Carbamoyl-, Formyl- und Amido-Substituenten.
EC 2.2	EC 2.2 umfasst Aldehyd- und Ketontransferasen, die Aldehyd- oder Ketogruppen übertragen. Dazu zählen insbesondere verschiedene Transketolasen und Transaldolasen, die im Pentosephosphatweg eine wichtige Rolle spielen und den Transfer einer Dihydroxyaceton-Funktionsgruppe auf Glycerinaldehyd-3-phosphat katalysieren.
EC 2.3	Acyltransferasen als zentrale Vertreter von EC 2.3 übertragen Acylgruppen oder Acylgruppen, die während des Transfers in Alkylgruppen umgewandelt werden. Darüber hinaus differenziert diese Kategorie zwischen Aminoacyl- und Nicht-Aminoacyl-Gruppen.
EC 2.4	Enzyme der EC 2.4 übertragen Glycosyl-, Hexosyl- und Pentosylgruppen. Glycosyltransferasen der Unterkategorie EC 2.4 sind an der Biosynthese von Disacchariden und Polysacchariden beteiligt, indem sie Monosaccharide auf andere Moleküle übertragen.
EC 2.5	Derzeit umfasst EC 2.5 ausschließlich Enzyme, die an der Übertragung von Alkyl- oder Arylgruppen beteiligt sind, wobei Methylgruppen nicht eingeschlossen sind. Dies unterscheidet sich von funktionellen Gruppen, die beim Transfer in Alkylgruppen umgewandelt werden.
EC 2.6	EC 2.6 ist eine Enzymgruppe für die Übertragung stickstoffhaltiger Gruppen, einschließlich Transaminasen, Oximinotransferasen und weiterer Enzyme des Stickstoffgruppen-Transfers. Amidinotransferasen waren zuvor EC 2.6 zugeordnet, wurden jedoch kürzlich als Unterkategorie von EC 2.1 reklassifiziert.
EC 2.7	EC 2.7 umfasst nicht nur Enzyme, die phosphorhaltige Gruppen übertragen, sondern auch Nukleotidyltransferasen. Die Unterkategorie der Phosphotransferasen wird weiter nach der Art der übertragenen Gruppe differenziert. Phosphatakzeptoren sind vor allem Alkohole, Carboxygruppen, stickstoffhaltige Gruppen und Phosphatgruppen. Verschiedene Kinasen sind ebenfalls Bestandteil dieser Unterklasse der Transferasen.
EC 2.8	Schwefeltransferasen, die schwefelhaltige Gruppen übertragen, sind unter EC 2.8 erfasst und werden weiter in die Unterkategorien Schwefeltransferasen, Sulfotransferasen und CoA-Transferasen sowie Enzyme für den Transfer von Alkylthio-Gruppen unterteilt. Bestimmte Sulfotransferasen können PAPS als Sulfatgruppendonor verwenden; innerhalb dieser weist die Alkohol-Sulfotransferase ein breites Substratspektrum auf. Daher wird die Alkohol-Sulfotransferase auch als „Steroid-Sulfokinase“, „Hydroxysteroid-Sulfotransferase“ und „Östrogen-Sulfotransferase“ bezeichnet. Eine verminderte Aktivität wurde mit Lebererkrankungen beim Menschen in Zusammenhang gebracht.
EC 2.9	Selen-Transferasen gehören zu EC 2.9 und umfassen lediglich zwei Transferasen; damit handelt es sich um eine der kleinsten Transferase-Kategorien.
EC 2.10	Die Klasse EC 2.10 umfasst Enzyme, die molybdän- oder wolframhaltige Gruppen übertragen. Bis 2011 wurde jedoch nur ein Enzym, die Molybdopterin-Molybdotransferase, als Bestandteil der MoCo-Biosynthese in Escherichia coli hinzugefügt.

Anwendungen in der Biotechnologie

Die terminale Transferase ist eine der wenigen DNA-Polymerasen, die ohne RNA-Primer funktionieren, und kann DNA markieren oder Plasmidvektoren erzeugen, indem sie Desoxynukleotide in template-unabhängiger Weise an das nachgelagerte Ende bzw. das 3'-Ende eines bestehenden DNA-Moleküls anfügt.

Glutathion-Transferasen mit hoher Diversität können von Pflanzen eingesetzt werden, um toxische Metalle vom übrigen Zellkompartiment zu separieren; dadurch eignen sie sich als Biosensoren zum Nachweis von Kontaminanten wie Herbiziden und Insektiziden. Glutathion-Transferasen können zudem die Resistenz transgener Pflanzen gegenüber biotischem und abiotischem Stress erhöhen und werden aufgrund ihrer Rolle bei Arzneimittelresistenz als Targets für Antitumorwirkstoffe untersucht. Derzeit ist die Hevea-Pflanze die einzige kommerziell verfügbare Quelle für Naturkautschuk.

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