GALK

Galaktokinase ist ein Enzym, das die Phosphorylierung von α-D-Galaktose zu Galaktose-1-phosphat unter Verbrauch von ATP (Adenosintriphosphat) katalysiert. Die Umwandlung von β-D-Galaktose zu Glukose-1-phosphat erfolgt durch das Zusammenwirken von vier Enzymen, die den Leloir-Stoffwechselweg bilden. Galaktokinase katalysiert den zweiten Schritt des Leloir-Wegs, nämlich den Katabolismus von β-D-Galaktose zu Glukose-1-phosphat, einem in den meisten Organismen vorkommenden Stoffwechselweg. Galaktokinase wurde erstmals aus Säugetierleber isoliert und umfassend in Hefe, Archaeen, Pflanzen und beim Menschen untersucht. Aufgrund ihrer wichtigen metabolischen Funktion hat das Enzym zunehmende Aufmerksamkeit in der Forschung erlangt. Defekte der Galaktokinase können zu dem Krankheitsbild führen, das als Galaktosämie bezeichnet wird. Darüber hinaus könnten galaktokinaseähnliche Moleküle als Sensoren für die intrazelluläre Galaktosekonzentration fungieren und unter geeigneten Bedingungen als transkriptionelle Regulatoren wirken.

Struktur

Galaktokinase besteht aus zwei Domänen, die durch eine große Spalte voneinander getrennt sind. Die beiden Bereiche werden als N‑ und C‑terminale Domäne bezeichnet; der Adeninring von ATP bindet in einer hydrophoben Tasche an der Grenzfläche beider Domänen. Die N‑terminale Domäne ist durch fünf Stränge eines gemischten β‑Faltblatts und fünf α‑Helices charakterisiert, während die C‑terminale Domäne durch zwei Lagen antiparalleler β‑Faltblätter und sechs α‑Helices gekennzeichnet ist. Galaktokinase gehört nicht zur Familie der Zuckerkinasen, sondern zur Gruppe ATP‑abhängiger Enzyme, die als GHMP‑Superfamilie bekannt ist. GHMP ist ein Akronym, das die ursprünglichen Mitglieder umfasst: Galaktokinase, Homoserinkinase, Mevalonatkinase und Phosphomevalonatkinase. Mitglieder der GHMP‑Superfamilie weisen eine hohe dreidimensionale Ähnlichkeit bei lediglich 10–20 % Sequenzidentität auf und enthalten drei hochkonservierte Motive (I, II und III), wobei das zweite Motiv an der Nukleotidbindung beteiligt ist und die Sequenz Pro‑X‑X‑X‑Gly‑Leu‑X‑Ser‑Ser‑Ala aufweist.

Abbildung 1. Kristallstruktur des aktiven Zentrums der Galaktokinase aus Lactococcus lactis.

Zuckerspezifität

Galaktokinasen aus unterschiedlichen Spezies zeigen eine große Bandbreite an Substratspezifitäten. Die Galaktokinase aus E. coli kann die Phosphorylierung von 2‑Amino‑Deoxy‑D‑Galaktose, 2‑Deoxy‑D‑Galaktose, 3‑Deoxy‑D‑Galaktose und D‑Fucose katalysieren. Das Enzym toleriert keine Modifikationen an C‑4; Veränderungen an der C‑2‑Position der D‑Galaktose beeinflussen die Enzymfunktion hingegen nicht. Galaktokinasen des Menschen und der Ratte sind in der Lage, 2‑Deoxy‑D‑Galaktose zu phosphorylieren. Demgegenüber ist die Galaktokinase aus S. cerevisiae hochspezifisch für D‑Galaktose und kann Mannose, Glukose, Fucose, Arabinose, Laktose, Galaktitol oder 2‑Deoxy‑D‑Galaktose nicht phosphorylieren. Darüber hinaus unterscheiden sich die kinetischen Eigenschaften der Galaktokinase zwischen den Spezies. Die Zuckerspezifität von Galaktokinasen aus verschiedenen Quellen wurde durch gerichtete Evolution und strukturgeleitetes Protein‑Engineering erheblich erweitert. Die entsprechenden permissiven anomeren Zuckerkinasen bilden einen Grundpfeiler für die in vitro- und in vivo-Glykorandomisierung.

Mechanismus

Die Funktionen der Aminosäurereste im aktiven Zentrum der humanen Galaktokinase wurden kürzlich aufgeklärt. Asp‑186 abstrahiert ein Proton von der Hydroxylgruppe an der C‑1‑Position der α‑D‑Galaktose, wodurch ein Alkoxid‑Nukleophil entsteht, das das γ‑Phosphoratom von ATP angreift. Eine Phosphatgruppe wird auf den Zucker übertragen; anschließend kann Asp‑186 durch Wasser deprotoniert werden. Das benachbarte Arg‑37 könnte Asp‑186 in seiner anionischen Form stabilisieren und wurde ebenfalls als für die Funktion der Galaktokinase erforderlich nachgewiesen. Sowohl der Aspartat‑ als auch der Argininrest im aktiven Zentrum sind unter Galaktokinasen hochkonserviert.

Biologische Funktion

Der Leloir‑Stoffwechselweg katalysiert die Umwandlung von Galaktose zu Glukose. Galaktose, die in Milchprodukten, Obst und Gemüse weit verbreitet ist, kann endogen beim Abbau von Glykoproteinen und Glykolipiden gebildet werden. Galaktokinase, Galaktose‑1‑phosphat‑Uridylyltransferase und UDP‑Galaktose‑4‑Epimerase sind essenzielle Enzyme des Leloir‑Wegs: Galaktokinase katalysiert den ersten verpflichtenden Schritt des Galaktosekatabolismus und führt zur Bildung von Galaktose‑1‑phosphat.

Krankheitsrelevanz

Galaktosämie, eine seltene Stoffwechselerkrankung, ist durch eine verminderte Fähigkeit zur Metabolisierung von Galaktose gekennzeichnet und wird durch Enzymmutationen im Leloir‑Stoffwechselweg verursacht. Ein Galaktokinase‑Mangel ist eine autosomal‑rezessive Stoffwechselstörung, die durch eine Akkumulation von Galaktose und Galaktitol infolge der verminderten Umwandlung von Galaktose zu Galaktose‑1‑phosphat durch Galaktokinase gekennzeichnet ist. Die Störung wird durch Mutationen im GALK1-Gen auf Chromosom 17q24 verursacht. Der Galaktokinase‑Mangel ist einer von drei angeborenen Stoffwechseldefekten, die zu einer Hypergalaktosämie führen können, und wird autosomal‑rezessiv vererbt. Im Gegensatz zur klassischen Galaktosämie geht der Galaktokinase‑Mangel im frühen Säuglingsalter nicht mit schweren klinischen Manifestationen einher. Das wichtigste klinische Symptom ist die Entwicklung von Katarakten in den ersten Lebenswochen oder -monaten, verursacht durch die Akkumulation von Galaktitol, einem Produkt eines alternativen Verwertungswegs der Galaktose. Es wurde vorgeschlagen, dass die Abhängigkeit heterozygoter Träger eines Galaktokinase‑Mangels vom Milchkonsum im späteren Leben zu präsinilen Katarakten im Alter von 20–50 Jahren führen kann.

Referenz