γ-GT

Gamma-Glutamyltransferase (γ-GT, GGT, EC 2.3.2.2) ist eine Transferase, die den Transfer von Gamma-Glutamylgruppen von Molekülen wie Glutathion zu einem Akzeptor wie einer Aminosäure, einem Peptid oder Wasser katalysiert. γ-GT spielt eine Schlüsselrolle im Gamma-Glutamylzyklus, indem es die zellulären Spiegel des Antioxidans Glutathion reguliert, weshalb es ein kritisches Enzym zur Aufrechterhaltung der zellulären Redox-Homöostase ist. γ-GT wurde weit verbreitet als Index für Leberdysfunktion und Marker für Alkoholkonsum verwendet. Es gab auch 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, die von Bakterien bis zu Säugetieren reichen. Sequenzvergleiche deuten auf eine starke Erhaltung von Struktur und Funktion in diesen Enzymen hin, die mehr als 25% Identität aufweisen. Die γ-GT-Polypeptidkette unterliegt einer autoproteolytischen Spaltung in eine große und eine kleine Untereinheit. Die Molekulargewichte der beiden Ketten liegen im Allgemeinen zwischen 38–72 kDa für die große Untereinheit und zwischen 20–66 kDa für die kleine Untereinheit. Bei Säugetieren hat die große Untereinheit eine intrazelluläre N-terminale Sequenz, eine einzelne transmembranäre Domäne, die durch ein hydrophobes Fragment von acht Resten an der Membran verankert ist, und eine große extrazelluläre Domäne, die an die kleine Untereinheit bindet. Die extrazelluläre Komponente kann durch Papainbehandlung von der Membran getrennt werden. Der hydrophobe Anker kann entfernt werden, ohne die Enzymaktivität zu beeinträchtigen.

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

Röntgenkristallographie hat eine entscheidende Rolle bei der Untersuchung von γ-GTs gespielt und den Forschern detaillierte Strukturmodelle bereitgestellt, die entscheidend waren, um die Enzymfunktion und Reaktivität zu enthüllen. Alle γ-GTs gehören zur Superfamilie der N-terminalen nukleophilen Hydrolasen, die eine ähnliche Struktur aufweisen. Die Mitglieder dieser Superfamilie teilen sich eine gemeinsame Architektur des aktiven Zentrums, tertiäre und quartäre Faltung, obwohl sie paarweise Sequenzidentitäten von nur 15% aufweisen können. Die vorherrschenden Elemente der Sekundärstruktur in nukleophilen Hydrolasen sind eine lange vierlagige αββα-Struktur, mit zwei antiparallelen β-Faltblättern, die gegeneinander gepackt sind und zwischen α-heißen Schichten eingeklemmt sind. Im zentralen β-Faltblatt-Sandwich liefern sowohl große als auch kleine Untereinheiten Stränge. Sie sind antiparallel angeordnet: eines der beiden zentralen Blätter ist im Wesentlichen flach, während das andere am Ende verdreht sein kann. In den untersuchten γ-GTs sind die kleine und die große Untereinheit stark miteinander verflochten. Die Inter-Subunit-Schnittstelle wird sowohl durch Wasserstoffbrücken als auch durch hydrophobe Kontakte stabilisiert.

Funktion

Evidenz für die normale Funktion von γ-GT stammt aus mehreren Quellen, einige indirekt und einige direkt. Dazu gehören der Standort des Enzyms an Membrantransportstellen, wo es durch histochemische oder immunhistochemische Methoden nachgewiesen wurde; Experimente mit γ-GT-Hemmern wie Acivicin und Serin-Borat, Zelltransfektion, Knockout-Tiere und menschliche Probanden mit γ-GT-Mangel; sowie die Untersuchung der Reaktion der γ-GT-Enzym-, Protein- oder mRNA-Konzentrationen auf die Manipulation des Glutathionstatus.

Das häufigste Substrat für γ-GT ist Glutathion, und seine physiologischen Rollen in Bezug auf Glutathion wurden umfassend untersucht. Eine der frühen Beobachtungen über γ-GT war, dass seine Aktivität in Geweben mit Transportfunktion, wie den Nieren und im biliären System, am höchsten war. Dies führte zu der Annahme, dass γ-GT eine wichtige Rolle beim Transport von Aminosäuren spielt, durch eine Sequenz von Reaktionen, die einen „Gamma-Glutamyl-Zyklus“ bilden. Der Gamma-Glutamyl-Zyklus nutzt Glutamat (GSH) als kontinuierliche Quelle für Cystein für die Zelle. Es wird im Zytosol synthetisiert und dann aus der Zelle transloziert. Der extrazelluläre GSH-Stoffwechsel wird durch γ-GT, das erste Enzym des GSH-Abbauwegs, eingeleitet und dann von Membrandipeptidasen abgeschlossen.

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

Aktivitätsmessung

Die von γ-GT katalysierte Reaktion ist der Transfer eines Glutamylrests, der über die Gamma-Carbonsäure von Glutamat mit einem Amin oder einer anderen Aminosäure verbunden ist, zu einem Akzeptor. Die γ-GT-Reaktion hat die allgemeine Form: Gamma-Glutamyl-X + Akzeptor → Gamma-Glutamyl-Akzeptor + X, und eine Vielzahl von Verbindungen kann als Gamma-Glutamyl-Donor oder als Akzeptor teilnehmen. Unter den Gamma-Glutamyl-Donoren wird angenommen, dass das bedeutendste natürliche Substrat Glutathion ist, aber eine Reihe von künstlichen Substraten wurde entwickelt, um die γ-GT-Aktivität bequem zu messen. Dazu gehören Gamma-Glutamyl-β-Naphthylamid, Gamma-Glutamyl-p-Nitroanilid und Gamma-Glutamyl-3-Carboxy-4-Nitroanilid. Die Nitroanilide haben den Vorteil, dass sie chromogene Substrate sind, und der Fortschritt der Reaktion kann kontinuierlich überwacht werden. Die Carbonsäure vermeidet einige Löslichkeitsbeschränkungen, die bei Gamma-Glutamyl-p-Nitroanilid auftreten. Die γ-GT-Aktivität wird normalerweise durch kinetische spektrophotometrische Methoden gemessen, die auf der Arbeit von Szasz basieren, die präzise und kostengünstig sind.

Immunoassays und hochsensible Methoden, die auf Fluoreszenz basieren, wurden ebenfalls für spezielle Anwendungen beschrieben. Die Untersuchung von Isoenzymen hat zu dem Schluss geführt, dass Veränderungen in der Kohlenhydratzusammensetzung von γ-GT die Assoziation mit Lipoproteinen beeinflussen und Variationen in den elektrophoretischen Mustern erzeugen, aber die Isoenzymanalyse wurde aufgrund technischer Unannehmlichkeiten und mangelnder Beweise für diagnostische Nützlichkeit nicht weit verbreitet.

Lebererkrankungen

γ-GT wurde als Leberfunktionstest oder Leberenzym untersucht und angenommen. Eine frühe Arbeit von Szczeklik et al. gab Durchschnittswerte in verschiedenen Arten von Lebererkrankungen an und zeigte Beispiele für Veränderungen in Serum-GGT im Laufe der Zeit, indem sie es mit anderen Enzymen verglich. Es ist ein empfindlicher Test, der bei den meisten Patienten mit Lebererkrankungen unabhängig von der Ursache abnormal ist, obwohl höhere Werte bei Patienten mit Cholestase gefunden werden. Das Problem liegt in einem Mangel an Spezifität, angesichts der Vielzahl von Krankheiten oder anderen Bedingungen (wie Pankreatitis, Diabetes, Fettleibigkeit, übermäßiger Alkoholkonsum und Verwendung von enzyminduzierenden Medikamenten), die ebenfalls hohe Serum-GGT-Werte verursachen können.

Außerhalb seiner allgemeinen Verwendung bei der Beurteilung von Lebererkrankungen wurde GGT in einer Reihe von häufigen oder signifikanten klinischen Situationen bewertet. Bei der Porphyria Cutanea Tarda (PCT) gibt es eine sehr hohe Prävalenz abnormaler GGT. GGT nimmt mit der Behandlung von PCT ab, unabhängig davon, ob die Behandlung durch Abstinenz von Alkohol oder Eisenentfernung, Chloroquin, Cimetidin oder nach der Behandlung von Hepatitis C erfolgt, die ein bekannter Risikofaktor für PCT ist. Einige porphyrinogene Medikamente haben die Wirkung, die hepatische oder serale GGT zu erhöhen. Die nichtalkoholische Steatohepatitis (NASH) ist eine Lebererkrankung, die mit Diabetes und Fettleibigkeit assoziiert ist und viele Merkmale mit alkoholischer Lebererkrankung teilt. GGT ist bei den meisten Patienten mit dieser Erkrankung erhöht, hat jedoch keinen diagnostischen Nutzen. Das Hauptinteresse in Bezug auf GGT besteht darin, dass der Zustand dem alkoholischen Lebererkrankung ähnlich ist, jedoch ohne Alkohol, und dass er das extreme Ende der epidemiologischen Assoziationen zwischen GGT und Fettleibigkeit, Insulinresistenz, Diabetes und Fettleber darstellen kann.

Referenzen