γ‑GT

Die Gamma-Glutamyltransferase (γ-GT, GGT, EC 2.3.2.2) ist eine Transferase, die die Übertragung von Gamma-Glutamylgruppen von Molekülen wie Glutathion auf einen Akzeptor wie eine Aminosäure, ein Peptid oder Wasser katalysiert. γ-GT spielt eine Schlüsselrolle im Gamma-Glutamyl-Zyklus, indem sie die zellulären Spiegel des antioxidativen Moleküls Glutathion reguliert; damit ist sie ein kritisches Enzym für die Aufrechterhaltung der zellulären Redox-Homöostase. γ-GT wird seit Langem als Index der Leberfunktionsstörung und als Marker des Alkoholkonsums verwendet. Darüber hinaus gab es wichtige Fortschritte bei der Definition der Zusammenhänge zwischen Serum-GGT und dem Risiko für koronare Herzkrankheit, Typ-2-Diabetes und Schlaganfall.

Struktur

Die Primärstrukturen von γ-GTs aus verschiedenen Quellen wurden identifiziert, von Bakterien bis zu Säugetieren. Sequenzalignments weisen auf eine starke Konservierung von Struktur und Funktion dieser Enzyme hin, die eine Identität von >25 % teilen. Die Polypeptidkette der γ-GT unterliegt einer autoproteolytischen Spaltung in eine große und eine kleine Untereinheit. Die Molekulargewichte der beiden Ketten liegen im Allgemeinen bei 38–72 kDa für die große Untereinheit und bei 20–66 kDa für die kleine Untereinheit. Bei Säugetieren besitzt die große Untereinheit eine intrazelluläre N-terminale Sequenz, eine einzelne Transmembrandomäne, die über ein hydrophobes Fragment aus acht Resten in der Membran verankert ist, sowie eine große extrazelluläre Domäne, die die kleine Untereinheit bindet. Die extrazelluläre Komponente kann durch Papainbehandlung von der Membran abgetrennt werden. Der hydrophobe Anker kann entfernt werden, ohne die Enzymaktivität zu beeinträchtigen.

Abbildung 1. Struktur der E.-coli-GGT. (Okada T. et al. 2006)

Die Röntgenkristallographie hat bei der Untersuchung von γ-GTs eine entscheidende Rolle gespielt, indem sie Forschenden detaillierte Strukturmodelle bereitstellte, die wesentlich zur Aufklärung von Enzymfunktion und Reaktivität beigetragen haben. Alle γ-GTs gehören zur Superfamilie der N-terminal nukleophilen Hydrolasen, die eine ähnliche Struktur aufweisen. Die Mitglieder dieser Superfamilie teilen eine gemeinsame Architektur des aktiven Zentrums sowie eine ähnliche tertiäre und quartäre Faltung, obwohl die paarweisen Sequenzidentitäten bis auf 15 % abfallen können. Die vorherrschenden Elemente der Sekundärstruktur nukleophiler Hydrolasen sind eine lange vierlagige αββα-Struktur mit zwei antiparallelen β-Faltblättern, die gegeneinander gepackt und zwischen α-helikalen Schichten eingebettet sind. Im zentralen β-Faltblatt-Sandwich liefern sowohl die große als auch die kleine Untereinheit Stränge. Diese sind antiparallel angeordnet: Eines der beiden zentralen Faltblätter ist im Wesentlichen flach, während das andere am Ende verdrillt sein kann. In den untersuchten γ-GTs sind die kleine und die große Untereinheit über die gesamte Struktur hinweg stark miteinander verflochten. Die Grenzfläche zwischen den Untereinheiten wird sowohl durch Wasserstoffbrückenbindungen als auch durch hydrophobe Kontakte stabilisiert.

Funktion

Hinweise auf die physiologische Funktion der γ-GT stammen aus mehreren Quellen, teils indirekt und teils direkt. Dazu zählen die Lokalisation des Enzyms an Membrantransportstellen, wo es mittels histochemischer oder immunhistochemischer Methoden nachgewiesen wurde; Experimente unter Verwendung von γ-GT-Inhibitoren wie Acivicin und Serin-Borat, Zelltransfektion, Knockout-Tieren und Probanden mit γ-GT-Mangel; sowie Untersuchungen zur Reaktion der γ-GT-Enzym-, Protein- oder mRNA-Konzentrationen auf die Manipulation des Glutathionstatus.

Das am häufigsten vorkommende Substrat der γ-GT ist Glutathion, und ihre physiologischen Rollen im Zusammenhang mit Glutathion wurden umfassend untersucht. Eine der frühen Beobachtungen zur γ-GT war, dass ihre Aktivität in Geweben mit Transportfunktion am höchsten ist, wie in den Nieren und im biliären System. Dies führte zu der Annahme, dass γ-GT eine wichtige Rolle beim Transport von Aminosäuren spielt, über eine Abfolge von Reaktionen, die einen „Gamma-Glutamyl-Zyklus“ bilden. Der γ-Glutamyl-Zyklus nutzt Glutamat (GSH) als kontinuierliche Quelle von Cystein für die Zelle. GSH wird im Zytosol synthetisiert und anschließend aus der Zelle transloziert. Der extrazelluläre GSH-Metabolismus wird durch γ-GT initiiert, das erste Enzym des GSH-Abbauwegs, und anschließend durch Membran-Dipeptidasen vervollständigt.

Abbildung 2. Gamma-Glutamyl-Zyklus. (Castellano I. et al. 2013)

Aktivitätsmessung

Die durch γ-GT katalysierte Reaktion ist die Übertragung eines Glutamylrests, der über die Gamma-Carboxylgruppe des Glutamats an ein Amin oder an eine andere Aminosäure gebunden ist, auf einen Akzeptor. Die γ-GT-Reaktion hat die allgemeine Form: Gamma-Glutamyl-X + Akzeptor → Gamma-Glutamyl-Akzeptor + X, und eine breite Palette von Verbindungen kann als Gamma-Glutamyl-Donor oder als Akzeptor teilnehmen. Unter den Gamma-Glutamyl-Donoren gilt Glutathion als das wichtigste natürliche Substrat, jedoch wurden für die praktische Messung der γ-GT-Aktivität eine Reihe künstlicher Substrate entwickelt. Dazu gehören Gamma-Glutamyl-β-Naphthylamid, Gamma-Glutamyl-p-Nitroanilid und Gamma-Glutamyl-3-Carboxy-4-Nitroanilid. Nitroanilide haben den Vorteil, chromogene Substrate zu sein, sodass der Reaktionsfortschritt kontinuierlich überwacht werden kann. Die Carbonsäure vermeidet einige Löslichkeitslimitierungen, die bei Gamma-Glutamyl-p-Nitroanilid auftreten. Die γ-GT-Aktivität wird üblicherweise mittels kinetischer spektrophotometrischer Methoden nach Szasz gemessen, die präzise und kostengünstig sind.

Immunoassays sowie hochsensitive, fluoreszenzbasierte Methoden wurden ebenfalls für spezialisierte Anwendungen beschrieben. Die Untersuchung von Isoenzymen führte zu dem Schluss, dass Veränderungen in der Kohlenhydratzusammensetzung der γ-GT die Assoziation mit Lipoproteinen beeinflussen und Variationen in elektrophoretischen Mustern verursachen; eine Isoenzymanalyse wurde jedoch aufgrund technischer Unhandlichkeit und fehlender Evidenz für einen diagnostischen Nutzen nicht breit eingesetzt.

Lebererkrankungen

γ-GT wurde untersucht und als Leberfunktionstest bzw. Leberenzym etabliert. Eine frühe Arbeit von Szczeklik et al. berichtete Mittelwerte bei verschiedenen Arten von Lebererkrankungen und zeigte Beispiele zeitlicher Veränderungen der Serum-γ-GT im Vergleich zu anderen Enzymen. Es handelt sich um einen sensitiven Test, der bei den meisten Patientinnen und Patienten mit Lebererkrankungen unabhängig von der Ursache pathologisch ist, wobei höhere Werte bei Patientinnen und Patienten mit Cholestase gefunden werden. Das Problem liegt in der mangelnden Spezifität, da ein breites Spektrum an Erkrankungen oder anderen Zuständen (wie Pankreatitis, Diabetes, Adipositas, übermäßiger Alkoholkonsum und die Anwendung enzyminduzierender Arzneimittel) ebenfalls erhöhte Serum-γ-GT verursachen kann.

Abgesehen von der allgemeinen Anwendung in der Beurteilung von Lebererkrankungen wurde GGT in einer Reihe häufiger oder klinisch bedeutsamer Konstellationen evaluiert. Bei Porphyria cutanea tarda (PCT) besteht eine sehr hohe Prävalenz pathologischer GGT-Werte. GGT sinkt unter Behandlung der PCT, unabhängig davon, ob die Behandlung durch Alkoholabstinenz oder Eisenentzug, Chloroquin, Cimetidin oder nach Behandlung einer Hepatitis C erfolgt, die ein bekannter Risikofaktor für PCT ist. Einige porphyrinogene Arzneimittel führen zu einem Anstieg der hepatischen oder Serum-GGT. Die nichtalkoholische Steatohepatitis (NASH) ist eine Lebererkrankung, die mit Diabetes und Adipositas assoziiert ist und viele Merkmale mit der alkoholischen Lebererkrankung teilt. GGT ist bei den meisten Patientinnen und Patienten mit dieser Erkrankung erhöht, ist jedoch diagnostisch nicht hilfreich. Das Hauptinteresse im Zusammenhang mit GGT liegt darin, dass die Erkrankung der alkoholischen Lebererkrankung ähnelt, jedoch ohne Alkohol, und dass sie möglicherweise das Extrem der epidemiologischen Assoziationen zwischen GGT und Adipositas, Insulinresistenz, Diabetes und Fettleber darstellt.

Literatur