6-Phosphogluconolactonase

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Die 6-Phosphogluconolactonase katalysiert in der oxidativen Phase des Pentosephosphatwegs die Hydrolyse von 6-Phosphogluconolacton zu 6-Phosphogluconat und ist ein zytoplasmatisches Enzym, das in allen Organismen vorkommt. Die Tertiärstruktur von 6PGL weist eine α/β-Hydrolase-Faltung auf, und die katalytisch aktiven Aminosäurereste sind in einer Schleife der α-Helix im aktiven Zentrum angeordnet. Auf Basis der Kristallstruktur des Enzyms wird angenommen, dass der Mechanismus auf einem Protonentransfer durch Histidinreste im aktiven Zentrum beruht. 6PGL katalysiert selektiv die Hydrolyse von δ-6-Phosphogluconolacton und zeigt keine Aktivität gegenüber dem γ-Isomer.

Enzymstruktur

Die 6PGL des Homo sapiens liegt unter zytoplasmatischen physiologischen Bedingungen als Monomer vor, besteht aus 258 Aminosäureresten und hat ein Gesamtmolekulargewicht von etwa 30 kDa. Die Tertiärstruktur des Enzyms ist in einer α/β-Hydrolase-Faltung organisiert; parallele und antiparallele β-Faltblatt-Schichten sind von 8 α-Helices und 5 3₁₀-Helices umgeben. Die Stabilität der Tertiärstruktur des Proteins wird durch Salzbrücken zwischen Aspartat- und Argininresten sowie durch Stapelwechselwirkungen aromatischer Seitenketten erhöht.

Abbildung 1. Struktur der 6-Phosphogluconolactonase.

Mechanismus

Es wurde vorgeschlagen, dass die Hydrolyse von 6-Phosphogluconolacton durch 6PGL zu 6-Phosphogluconat über einen Protonentransfer auf das O5-Epoxidatom erfolgt, ähnlich wie bei der Xylose-Isomerase und der Ribose-5-phosphat-Isomerase. Die Reaktion wird durch den Angriff eines Hydroxidions auf den C5-Ester initiiert. Darauf folgen die Bildung tetraedrischer Zwischenprodukte und die Spaltung der Esterbindung, wobei Protonen aus Histidinresten des aktiven Zentrums abgegeben werden. Welche spezifischen Reste am Protonentransfer beteiligt sind, war bis 2009 Gegenstand der Forschung, da frühere Strukturstudien zwei mögliche Substratkonformationen im aktiven Zentrum gezeigt hatten, bei denen das O5-Epoxid entweder in Richtung eines Arginin- oder eines Histidinrests positioniert ist. Molekulardynamische Simulationen ergaben, dass der protonendonierende Rest Histidin ist, während Arginin lediglich zur elektrostatischen Stabilisierung der negativ geladenen Phosphatgruppe beiträgt. Eine elektrostatische Stabilisierung des Enzym-Substrat-Komplexes erfolgt zudem zwischen dem Carboxylat des Produkts und den Rückgrat-Aminogruppen benachbarter Glycinreste.

Funktion

Die 6-Phosphogluconolactonase katalysiert die Umwandlung von 6-Phosphogluconolacton zu 6-Phosphogluconat, zwei Zwischenprodukten der oxidativen Phase des Pentosephosphatwegs, in der Glukose zu 5-Phosphoribose umgesetzt wird. In der oxidativen Phase des Pentosephosphatwegs wird Kohlendioxid freigesetzt und es entstehen aus NADP⁺ zwei Äquivalente NADPH. Das Endprodukt Ribose-5-phosphat wird von Organismen in der nicht-oxidativen Phase des Pentosephosphatwegs weiterverarbeitet, um Biomoleküle einschließlich Nukleotiden, ATP und Coenzym A zu synthetisieren. Das dem 6PGL im Pentosephosphatweg vorgelagerte Enzym Glukose-6-phosphat-Dehydrogenase bildet ausschließlich das Delta-Isomer von 6-Phosphogluconolacton. Bei Akkumulation kann die Verbindung jedoch eine intramolekulare Umlagerung durchlaufen und zu einer stabileren γ-Form isomerisieren, die von 6PGL nicht hydrolysiert werden kann und daher nicht in die nicht-oxidative Phase des Pentosephosphatwegs überführt wird. Durch die rasche Hydrolyse des δ-Isomers von 6-Phosphogluconolacton kann 6PGL dessen Anreicherung und die nachfolgende Bildung des γ-Isomers verhindern, wodurch andernfalls für die Zelle verfügbare Glukoseressourcen ineffizient genutzt würden. 6-Phosphogluconolacton ist zudem anfällig für Angriffe intrazellulärer Nukleophile, was in der α-N-6-Phosphogluconat-Reaktion von in E. coli exprimierten His-markierten Proteinen bestätigt wurde; durch die effektive Hydrolyse von 6-Phosphogluconolacton kann 6PGL die Anreicherung von Lactonen sowie toxische Reaktionen zwischen Lacton-Zwischenprodukten und zellulären Komponenten verhindern.

Klinische Bedeutung

Es wurde gezeigt, dass Plasmodium berghei und Plasmodium falciparum ein bifunktionales Enzym exprimieren, das sowohl die Aktivität der Glukose-6-phosphat-Dehydrogenase als auch der 6-Phosphogluconolactonase aufweist und dadurch zwei vorgeschaltete Schritte des Pentosephosphatwegs katalysieren kann. Dieses bifunktionale Enzym wurde als therapeutisch adressierbares Target bei Malariaparasiten identifiziert; Hochdurchsatz-Screenings niedermolekularer Inhibitoren führten zur Entdeckung neuartiger Verbindungen, die potenziell zu wirksamen Antimalariamitteln weiterentwickelt werden können.