6-Phosphogluconolactonase

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6-Phosphogluconolactonase katalysiert die Hydrolyse von 6-Phosphogluconolacton zu 6-Phosphogluconat in der Oxidationsphase des Pentosephosphatwegs und ist ein zytoplasmatisches Enzym, das in allen Organismen vorkommt. Die tertiäre Struktur von 6PGL wird durch α/β-Hydrolasen gefaltet, und die aktiven Seitenreste sind auf der Schleife der α-Helix versammelt. Laut der Kristallstruktur des Enzyms wird angenommen, dass dieser Mechanismus auf dem Protonentransfer von Histidinresten im aktiven Zentrum beruht. 6PGL katalysiert selektiv die Hydrolyse von δ-6-Phosphogluconolacton und hat keine Aktivität gegenüber dem γ-Isomer.

Enzymstruktur

Das 6PGL in Homo sapiens existiert unter zytoplasmatischen physiologischen Bedingungen als Monomer, bestehend aus 258 Aminosäureresten, mit einem Gesamtmolekulargewicht von etwa 30 kDa. Die tertiäre Struktur des Enzyms verwendet α/β-Hydrolasen zum Falten, und die parallelen und antiparallelen β-Faltblatt-Schichten sind von 8 α-Helices und 5 310-Helices umgeben. Die Stabilität der tertiären Struktur des Proteins wird durch die Salzbrücke zwischen Asparaginsäure und Argininresten sowie durch die Stapelinteraktion aromatischer Seitenketten erhöht.

Abbildung 1. Struktur von 6-Phosphogluconolactonase.

Mechanismus

Es wurde vorgeschlagen, dass die Hydrolyse von 6-Phosphogluconolacton von 6PGL zu 6-Phosphogluconat durch den Transfer von Protonen zum O5-Epoxy-Atom erfolgt, ähnlich wie bei Xylose-Isomerase und Ribose-5-Phosphat-Isomerase. Diese Reaktion wird durch das Angreifen des Hydroxidions am C5-Ester eingeleitet. Darauf folgt die Bildung tetrahedraler Zwischenprodukte und die Eliminierung von Esterbindungen, die durch das Spenden von Protonen von den aktiven Histidinresten erreicht wird. Die spezifischen Reste, die am Protonentransfer beteiligt sind, haben die Forscher bis 2009 beschäftigt, da frühere strukturelle Studien gezeigt haben, dass es zwei mögliche Substratkonformationen im aktiven Zentrum gibt, die das O5-Epoxy an Arginin oder Histidin positionieren. Das proximale Ende des Säurerestes. Molekulardynamik-Simulationen wurden verwendet, um herauszufinden, dass das protonen-spendende Rest Histidin ist, während das Argininrest nur mit der elektrischen Stabilität der negativ geladenen Phosphatgruppe in Verbindung steht. Die elektrische Stabilisierung des Enzym-Substrat-Komplexes erfolgt auch zwischen dem Produkt-Carboxylat und dem Rückgrat-Amin der umgebenden Glycinreste.

Funktion

6-Phosphogluconolactonase katalysiert die Umwandlung von 6-Phosphogluconolacton zu 6-Phosphogluconat, die zwei Zwischenprodukte in der Oxidationsphase des Pentosephosphatwegs sind, wo Glukose zu 5-Phosphoribose umgewandelt wird. Die oxidative Phase des Pentosephosphatwegs setzt Kohlendioxid frei und führt zur Produktion von zwei Äquivalenten NADPH aus NADP+. Das Endprodukt, Ribose-5-Phosphat, wird von Organismen in der nicht-oxidativen Phase des Pentosephosphatwegs weiterverarbeitet, um Biomoleküle einschließlich Nukleotide, ATP und Coenzym A zu synthetisieren. Das Enzym Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase, das 6PGL im Pentosephosphatweg vorausgeht, bildet ausschließlich das Delta-Isomer von 6-Phosphogluconolacton. Wenn es jedoch akkumuliert, kann die Verbindung eine intramolekulare Umordnung durchlaufen, um sich in eine stabilere γ-Form zu isomerisieren, die von 6PGL nicht hydrolysiert werden kann und nicht in die nicht-oxidative Phase des Pentosephosphatwegs übergehen kann. Durch die schnelle Hydrolyse des δ-Isomers von 6-Phosphogluconolacton kann 6PGL dessen Ansammlung und die anschließende Bildung des γ-Isomers verhindern, was die verfügbaren Glukoseresourcen der Zelle verschwendet. 6-Phosphogluconolacton ist auch anfällig für den Angriff intrazellulärer Nucleophile, was in der α-N-6-Phosphogluconat-Reaktion von His-getaggten Proteinen, die in E. coli exprimiert werden, bestätigt wird, und 6PGL kann effektiv hydrolysiertes 6-Phosphogluconolacton verhindern, um die Ansammlung von Lacton und die toxische Reaktion zwischen Lactonzwischenprodukten und Zellen zu verhindern.

Klinische Bedeutung

Es wurde gezeigt, dass Plasmodium berghei und Plasmodium falciparum ein bifunktionales Enzym exprimieren, das die Aktivitäten sowohl der Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase als auch der 6-Phosphat-Gluconolactonase aufweist, was es ihm ermöglicht, die vorderen Schritte des Pentosephosphatwegs zu katalysieren. Diese bifunktionale Enzym wurde als behandelbares Ziel für Malariaparasiten identifiziert, und Hochdurchsatz-Screening von kleinen Molekülinhibitoren hat zur Entdeckung neuartiger Verbindungen geführt, die potenziell in effektive Antimalariamittel umgewandelt werden können.