GALK

Galaktokinase ist ein Enzym, das die Phosphorylierung von α-D-Galaktose zu Galaktose-1-Phosphat auf Kosten von ATP (Adenosintriphosphat) erleichtert. Die Umwandlung von β-D-Galaktose zu Glukose-1-Phosphat erfolgt durch die Wirkung von vier Enzymen, die den Leloir-Weg bilden. Galaktokinase katalysiert den zweiten Schritt des Leloir-Wegs, nämlich den Katabolismus von β-D-Galaktose zu Glukose-1-Phosphat, einem Stoffwechselweg, der in den meisten Organismen vorkommt. Galaktokinase wurde zuerst aus dem Lebergewebe von Säugetieren isoliert und wurde umfassend in Hefen, Archaeen, Pflanzen und Menschen untersucht. Das Enzym hat aufgrund seiner wichtigen metabolischen Rolle zunehmende Forschungsaufmerksamkeit auf sich gezogen. Defekte in der Galaktokinase können zu dem Krankheitszustand führen, der als Galaktosämie bezeichnet wird. Darüber hinaus könnten galaktokinaseähnliche Moleküle als Sensoren für die intrazelluläre Konzentration von Galaktose fungieren und unter geeigneten Bedingungen als transkriptionale Regulatoren wirken.

Struktur

Galaktokinase besteht aus zwei Domänen, die durch einen großen Spalt getrennt sind. Die beiden Regionen werden als N- und C-terminale Domänen bezeichnet, und der Adeninring von ATP bindet an einer hydrophoben Tasche an ihrer Schnittstelle. Die N-terminale Domäne ist durch fünf Stränge eines gemischten Beta-Faltblattes und fünf Alpha-Helices gekennzeichnet, während die C-terminale Domäne durch zwei Schichten von antiparallelen Beta-Faltblättern und sechs Alpha-Helices gekennzeichnet ist. Galaktokinase gehört nicht zur Familie der Zuckerkinasen, sondern zu einer Art von ATP-abhängigen Enzymen, die als GHMP-Superfamilie bekannt sind. GHMP ist eine Abkürzung, die die ursprünglichen Mitglieder enthält: Galaktokinase, Homoserin-Kinase, Mevalonat-Kinase und Phosphomevalonat-Kinase. Mitglieder der GHMP-Superfamilie zeigen eine große dreidimensionale Ähnlichkeit mit nur 10 bis 20 % Sequenzidentität und enthalten drei gut konservierte Motive (I, II und III), von denen das zweite an der Nukleotidbindung beteiligt ist und die Sequenz Pro-X-X-X-Gly-Leu-X-Ser-Ser-Ala aufweist.

Abbildung 1. Kristallstruktur der aktiven Stelle der Galaktokinase aus Lactococcus lactis.

Zuckerspezifität

Galaktokinasen aus verschiedenen Arten zeigen eine große Vielfalt an Substratspezifitäten. E. coli Galaktokinase kann die Phosphorylierung von 2-Amino-Desoxy-D-Galaktose, 2-Desoxy-D-Galaktose, 3-Desoxy-D-Galaktose und D-Fucose durchführen. Das Enzym zeigt keine Toleranz gegenüber C-4-Modifikationen, aber Veränderungen an der C-2-Position von D-Galaktose haben keinen Einfluss auf die Enzymfunktion. Galaktokinasen sowohl im Menschen als auch in der Ratte sind in der Lage, 2-Desoxy-D-Galaktose zu phosphorylieren. Andererseits ist die Galaktokinase aus S. cerevisiae hochspezifisch für D-Galaktose und kann Mannose, Glukose, Fucose, Arabinose, Laktose, Galaktit oder 2-Desoxy-D-Galaktose nicht phosphorylieren. Darüber hinaus unterscheiden sich die kinetischen Eigenschaften der Galaktokinase auch zwischen den Arten. Die Zuckerspezifität von Galaktokinasen aus verschiedenen Quellen wurde durch gerichtete Evolution und strukturbasierte Proteinengineering dramatisch erweitert. Die entsprechenden permissiven Zucker-anomerischen Kinasen fungieren als Grundpfeiler für in vitro und in vivo Glykorandomisierung.

Mechanismus

Die Rollen der aktiven Stellenreste in der menschlichen Galaktokinase wurden kürzlich aufgedeckt. Asp-186 abstrahiert ein Proton von der Hydroxylgruppe an der C-1-Position von α-D-Galaktose, was dazu führt, dass ein Alkoxid-Nukleophil das γ-Phosphor von ATP angreift. Eine Phosphatgruppe wird auf den Zucker übertragen, und dann kann Asp-186 durch Wasser deprotoniert werden. Das nahegelegene Arg-37 könnte Asp-186 in seiner anionischen Form stabilisieren und wurde auch als notwendig für die Funktion der Galaktokinase nachgewiesen. Sowohl die Aspartat- als auch die Arginin-Reste der aktiven Stelle sind unter Galaktokinase hochkonserviert.

Biologische Funktion

Der Leloir-Weg katalysiert die Umwandlung von Galaktose zu Glukose. Galaktose, die in Milchprodukten, Früchten und Gemüse weit verbreitet ist, kann endogen beim Abbau von Glykoproteinen und Glykolipiden produziert werden. Galaktokinase, Galaktose-1-Phosphat Uridyltransferase und UDP-Galaktose 4-Epimerase sind Enzyme, die im Leloir-Weg unerlässlich sind: Galaktokinase katalysiert den ersten verbindlichen Schritt des Galaktose-Katabolismus, was zu Galaktose-1-Phosphat führt.

Krankheitsimplikation

Galaktosämie, eine seltene Stoffwechselstörung, wird durch die verringerte Fähigkeit zur Metabolisierung von Galaktose identifiziert und wird durch eine Enzymmutation im Leloir-Weg verursacht. Galaktokinase-Mangel ist eine autosomal-rezessive Stoffwechselstörung, die durch eine Ansammlung von Galaktose und Galaktit gekennzeichnet ist, die auf die verringerte Umwandlung von Galaktose zu Galaktose-1-Phosphat durch Galaktokinase zurückzuführen ist. Die Störung wird durch Mutationen im GALK1-Gen auf Chromosom 17q24 induziert. Galaktokinase-Mangel ist einer der drei angeborenen Stoffwechselfehler, die zu Hypergalaktosämie führen können, und wird als autosomal-rezessives Merkmal vererbt. Im Gegensatz zur klassischen Galaktosämie tritt der Galaktokinase-Mangel nicht mit schweren Manifestationen in der frühen Kindheit auf. Das Hauptsymptom ist die Entwicklung von Katarakten in den ersten Wochen oder Monaten des Lebens, verursacht durch die Ansammlung von Galaktit, das ein Produkt eines alternativen Weges der Galaktoseverwertung ist. Es wurde vorgeschlagen, dass die Abhängigkeit von der Milchaufnahme von heterozygoten Trägern mit Galaktokinase-Mangel im späteren Leben zu presenilen Katarakten im Alter von 20–50 Jahren führen kann.

Referenz