Galactose-Dehydrogenase

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Galaktose (CH₂OH(CHOH)₄CHO) ist eine Summenformel von Monosacchariden, C₆H₁₂O₆, die in Milchprodukten oder Zuckerrüben vorkommen. Galaktose ist ein Monosaccharid, das aus sechs Kohlenstoffatomen und einer Aldehydgruppe besteht. Sie wird als Aldose und Hexose klassifiziert und ist ein wichtiger Bestandteil bestimmter Glykoproteine. Galaktose ist Bestandteil der Laktose in der Milch von Säugetieren. Polysaccharide, die aus D‑Galaktose aufgebaut sind, wurden in Schnecken, Froscheiern und Rinderlungen nachgewiesen. Im Gehirn- und Nervengewebe liegt sie häufig in Form von D‑Galaktosiden vor.

Einführung in Galaktose

Galaktose ist im Pflanzenreich häufig in verschiedenen Pflanzengummen in Form von Polysacchariden enthalten. So ist beispielsweise κ‑Carrageen in Rotalgen ein Polysaccharid, das aus D‑Galaktose und 3,6‑Anhydro‑D‑Galaktose aufgebaut ist. Freie Galaktose kommt in den Beeren des Efeus vor. Galaktose liegt als weiße Kristalle vor. Sowohl D‑Galaktose als auch L‑Galaktose kommen natürlich vor. D‑Galaktose ist in der Regel in Milch als struktureller Bestandteil der Laktose enthalten. Die Laktose in der Milch wird im menschlichen Körper zu Glukose und Galaktose gespalten, um resorbiert und verwertet zu werden. Aufgrund ihres Kaloriengehalts kann sie auch als nutritiver Süßstoff eingesetzt werden. Galaktose ist ein Bestandteil des Laktosemoleküls, die andere Hälfte ist Glukose. Unter der Katalyse von β‑Laktase kann Galaktose durch Hydrolyse von Laktose gewonnen werden. Bifidobakterien fermentieren Laktose unter Bildung von Galaktose, die ein Bestandteil von Cerebrosiden im kranialen Nervensystem ist und in engem Zusammenhang mit dem raschen Wachstum des kindlichen Gehirns nach der Geburt steht.

Galaktose‑Dehydrogenase

In der Enzymologie ist Galaktose‑1‑Dehydrogenase ein Enzym, das folgende chemische Reaktion katalysiert:
D‑Galaktose + NAD⁺ → D‑Galactono‑1,4‑Lacton + NADH + H⁺
Damit sind die beiden Substrate des Enzyms D‑Galaktose und NAD⁺, und die drei Produkte sind D‑Galaktose‑1,4‑Lacton, NADH und H⁺. Dieses Enzym gehört zur Familie der Oxidoreduktasen, insbesondere zu denjenigen, die NAD⁺ oder NADP⁺ als Akzeptor verwenden und auf die CH‑OH‑Gruppe des Donors wirken. Der systematische Name dieser Enzymklasse lautet D‑Galaktose:NAD⁺‑1‑Oxidoreduktase. Weitere gebräuchliche Bezeichnungen sind D‑Galaktose‑Dehydrogenase, β‑Galaktose‑Dehydrogenase und NAD⁺‑abhängige D‑Galaktose‑Dehydrogenase. Dieses Enzym ist am Galaktosestoffwechsel beteiligt. Galaktose‑Dehydrogenase (NADP⁺) kann auch mit D‑Arabinose, 6‑Desoxy‑D‑Galaktose und 2‑Desoxy‑D‑Galaktose reagieren.

Einführung in die Galaktose‑Dehydrogenase

Galaktose‑Dehydrogenase (GaDH) katalysiert in Gegenwart von NAD⁺ die Dehydrierung von β‑D‑Galaktose‑Pyranose zu D‑Galaktose‑1,5‑Lacton und NADH, wobei sie am C1‑Atom des Zuckersubstrats angreift. Dieses Enzym ist üblicherweise auch nicht absolut spezifisch für NAD⁺, da – wenn auch in geringerem Ausmaß – auch NADP⁺ genutzt wird. D‑Galaktose ist das bessere Substrat. Obwohl andere Zucker (z. B. L‑Arabinose, 2‑Desoxy‑D‑Galaktose) weniger reaktiv sind, ist das Enzym ebenfalls nicht strikt spezifisch für D‑Galaktose. Der kinetische Mechanismus ist ein geordneter Bi‑Bi‑Mechanismus, bei dem NAD⁺ zuerst an das Enzym bindet. GaDH aus Pseudomonas fluorescens ist das am besten untersuchte Beispiel, da es kloniert und in E. coli exprimiert wurde und seine vollständige Nukleotidsequenz bestimmt ist. Das aktive Makromolekül besitzt zwei Bindungsstellen und besteht aus zwei identischen Untereinheiten, von denen jede 33 kDa (304 Aminosäurereste) umfasst. GaDH aus Pseudomonas saccharophila ist weniger umfassend untersucht, wurde jedoch in Pflanzen (z. B. grünen Erbsen, Orangen und Arabidopsis), Algen (z. B. Iris) sowie in mehreren Säugetieren einschließlich des Menschen nachgewiesen.

Anwendungen

GaDH ist ein wichtiges analytisches Werkzeug, da bei alkalischem pH das Produkt Galaktose‑Lacton hydrolysiert wird und die Reaktion dadurch irreversibel wird. Daher kann das Enzym zur Bestimmung von β‑D‑Galaktose und α‑D‑Galaktose eingesetzt werden; letztere kann anschließend durch ein exogenes Mutarotase‑Enzym in erstere überführt werden. GaDH wird zudem zur Bestimmung von Laktose verwendet. Laktose wird durch Laktase hydrolysiert und anschließend mit GaDH gekoppelt, das auf die gebildete β‑D‑Galaktose wirkt.