Glyoxalase I

Verwandte Lektüre

Das Glyoxalase-System

Glyoxalase I (EC 4.4.1.5) ist Bestandteil des Glyoxalase-Systems, das im Zytosol aller Zellen vorkommt. Das Glyoxalase-System katalysiert die Umwandlung azyklischer α-Oxyaldehyde zu α-Hydroxysäuren. Das System besteht aus zwei Enzymen, Glyoxalase I und Glyoxalase II (EC 3.1.2.6), sowie einer katalytischen Menge an GSH. Glyoxalase I katalysiert die Isomerisierung von Hemithioacetalen, die spontan aus α-Oxoaldehyd (RCOCHO) und GSH gebildet werden, zu S-2-Hydroxyacylglutathion-Derivaten [RCH(OH)CO-SG]:

Glyoxalase II katalysiert die Umwandlung von S-2-Hydroxyacylglutathion-Derivaten in α-Hydroxysäuren und regeneriert dabei GSH. Wird Glyoxalase I in situ durch einen Glyoxalase-I-Inhibitor sowie durch GSH-Depletion gehemmt, akkumuliert das wichtigste physiologische Substrat der Glyoxalase I, Methylglyoxal, in erheblichem Ausmaß. Weitere Substrate sind Hydroxypyruvaldehyd (HOCH2COCHO), Glyoxal (entsteht durch Lipidperoxidation und Fragmentierung glykierter Proteine) sowie 4,5-Doxovalerat (H-COCOCH2CH2CO2H). Die Aktivität der Glyoxalase I kann die Akkumulation dieser reaktiven α-Oxyaldehyde wirksam verhindern und dadurch α-Oxoaldehyd-vermittelte Glykierungsreaktionen hemmen. Damit ist sie ein Schlüsselenzym der Anti-Glykations-Abwehr.  

Molekulare Eigenschaften der Glyoxalase I

Glyoxalase-I-Aktivität ist in allen menschlichen Geweben nachweisbar. Im Mittel enthalten menschliche Gewebe und Blutzellen 0,2 µg Glyoxalase I pro Milligramm Protein. Das Enzym liegt als Dimer vor und wird an einem diallelischen genetischen Lokus, GLO, exprimiert. GLO kodiert in Heterozygoten zwei ähnliche Untereinheiten. Die drei Alloenzyme werden als GLO 1-1, GLO 1-2 und GLO 2-2 bezeichnet. Die Molekülmasse aller Alloenzyme beträgt 46 kDa (Gelfiltration), die pI-Werte liegen bei 4,8–5,1. Sie unterscheiden sich jedoch in Ladungsdichte und/oder Molekülform, sodass sie mittels Ionenaustauschchromatographie und nicht-denaturierender Gelelektrophorese getrennt werden können.

Jede Untereinheit der Glyoxalase I enthält ein Zn²⁺-Ion; Studien zeigten jedoch, dass Glyoxalase I aus E. coli ein Ni²⁺-Metalloenzym ist. Bislang wurden 61 Glyoxalase-I-Sequenzen beschrieben; dabei liegt Glyoxalase I des Menschen, von Bakterien und Pflanzen in dimerer Form vor. Die Hefeenzyme aus Saccharomyces cerevisiae und Schizosaccharomyces pombe sind hingegen Monomere mit 32 kDa bzw. 37 kDa. Die Sequenzidentität zwischen humaner Glyoxalase I und dem bakteriellen Enzym (Pseudomonas putida) beträgt 55 %; gegenüber dem Hefeenzym zwischen den Resten 1–182 und 183–326 (Saccharomyces cerevisiae) beträgt sie 47 %. Dies spricht dafür, dass Glyoxalase I unterschiedlicher Herkunft von einem gemeinsamen Vorläufer abstammen könnte.

Struktur und katalytischer Mechanismus der Glyoxalase I

Die dreidimensionale Struktur des Komplexes aus humaner Glyoxalase I und S-Benzylglutathion wurde aufgeklärt; jedes Monomer besteht aus zwei strukturell äquivalenten Domänen. Das aktive Zentrum befindet sich an der Dimer-Grenzfläche; Inhibitor und Zn²⁺-Ion interagieren mit Seitenketten beider Untereinheiten. Die Glyoxalase I aus Escherichia coli besteht aus zwei identischen Untereinheiten mit jeweils 135 Aminosäuren. Aus der aufgeklärten Kristallstruktur des Ni²⁺-gebundenen Enzyms ist ersichtlich, dass jede Untereinheit aus zwei Domänen (Reste 3–60 und 72–126) besteht, die durch ein dazwischenliegendes Segment von 12 Resten verbunden sind.

Abbildung 1. Banddarstellungen der Kristallstrukturen der humanen bzw. der Escherichia coli-Glyoxalase I (Thornalley, P. J. 2003)

Der Reaktionsmechanismus der Glyoxalase I umfasst die basenkatalysierte Übertragung eines abgeschirmten Protons von C-1 auf C-2 des Hemithioacetals, das im aktiven Zentrum an ein Enediol-Intermediat bindet, gefolgt von einer raschen Ketonisierung zum Thioester-Produkt. Derzeit wird angenommen, dass Glu-99 die katalytische Base für das R-Substrat-Enantiomer und Glu-172 die katalytische Base für das S-Substrat-Enantiomer ist. Beide Reaktionswege bilden ein cis-Enediol-Intermediat (direkt an das Zn²⁺-Ion koordiniert): Glu-172 deprotoniert dieses zum cis-Enediolat und reprotoniert anschließend C-2 zur Bildung des R-2-Hydroxyacylglutathion-Produkts. In Analogie zu den humanen Enzymen könnten Glu-56 und Glu-122 Basen sein, die am katalytischen Mechanismus beteiligt sind.

Abbildung 2. Katalytischer Mechanismus der humanen Glyoxalase I zur Isomerisierung des R-Hemithioacetals (Thornalley, P. J. 2003)