Glyoxalase I

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Das Glyoxalase-System

Glyoxalase I (EC 4.4.1.5) ist Teil des Glyoxalase-Systems, das im Zytosol aller Zellen zu finden ist. Das Glyoxalase-System katalysiert die Umwandlung von acyclischen α-Oxialdehyden in α-Hydroxyäuren. Das System besteht aus zwei Enzymen, Glyoxalase I und Glyoxalase II (EC 3.1.2.6), sowie einer katalytischen Menge von GSH. Glyoxalase I ist verantwortlich für die Katalyse der Isomerisierung von Hemithioacetalen, die spontan aus α-Oxoaldehyd (RCOCHO) und GSH gebildet werden, um S-2-Hydroxyacylglutathion-Derivate [RCH(OH)CO-SG] zu produzieren:

Glyoxalase II katalysiert die Umwandlung von S-2-Hydroxyacylglutathion-Derivaten in α-Hydroxyäuren und regeneriert GSH. Wenn Glyoxalase I in situ durch einen Glyoxalase I-Inhibitor und durch Depletion von GSH, dem Hauptsubstrat von Glyoxalase I, gehemmt wird, wird Methylglyoxal signifikant akkumulieren. Weitere Substrate sind Hydroxypyruvaldehyd (HOCH2COCHO), Glyoxal (gebildet durch Lipidperoxidation und Fragmentierung von glykierten Proteinen) und 4,5-Dioxovalerat (H-COCOCH2CH2CO2H). Die Aktivität von Glyoxalase I kann effektiv die Ansammlung dieser aktiven α-Oxialdehyde verhindern und somit α-Oxoaldehyd-vermittelte Glykationsreaktionen hemmen. Daher ist es ein Schlüsselenzym im Prozess der Anti-Glykation-Abwehr.  

Molekulare Eigenschaften von Glyoxalase I

Die Aktivität von Glyoxalase I ist in allen menschlichen Geweben vorhanden. Im Durchschnitt enthalten menschliche Gewebe und Blutzellen 0,2 µg Glyoxalase I pro Milligramm Protein. Das Enzym ist ein Dimer und wird an einem diallelischen genetischen Locus, GLO, exprimiert. GLO kodiert zwei ähnliche Untereinheiten in Heterozygoten. Die drei Alloenzyme werden GLO 1-1, GLO 1-2 und GLO 2-2 genannt. Die molekulare Masse aller Alloenzyme beträgt 46 kDa (Gel-Filtration), und die pI-Werte liegen zwischen 4,8 und 5,1. Sie haben jedoch unterschiedliche Ladungsdichten und/oder molekulare Formen, sodass sie durch Ionenaustauschchromatographie und nicht-denaturierende Gelelektrophorese aufgetrennt werden können.

Jede Untereinheit von Glyoxalase I enthält ein Zn²⁺-Ion, aber Studien haben gezeigt, dass Glyoxalase I aus E. coli ein Ni²⁺-Metalloenzym ist. Bisher wurden 61 Glyoxalase I-Sequenzen berichtet, unter denen die Glyoxalase I von Menschen, Bakterien und Pflanzen in Form von Dimeren existiert. Die Hefenzyme von Saccharomyces cerevisiae und Schizosaccharomyces pombe sind 32 kDa bzw. 37 kDa Monomere. Die Sequenzidentität zwischen menschlicher Glyoxalase I und dem bakteriellen Enzym (Pseudomonas putida) beträgt 55 %, und mit dem Hefenzyms zwischen den Resten 1-182 und 183-326 (Saccharomyces cerevisiae) beträgt sie 47 %, was darauf hindeutet, dass Glyoxalase I unterschiedlicher Herkunft sich aus einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt haben könnte.

Struktur und katalytischer Mechanismus von Glyoxalase I

Die dreidimensionale Struktur des Komplexes von menschlicher Glyoxalase I mit S-Benzylglutathion wurde aufgeklärt, und jedes Monomer besteht aus zwei strukturell äquivalenten Domänen. Die aktive Stelle befindet sich an der Dimeroberfläche, der Inhibitor und das Zn²⁺-Ion interagieren mit den Seitenketten der beiden Untereinheiten. Die Glyoxalase I von Escherichia coli besteht aus zwei identischen Untereinheiten, die jeweils 135 Aminosäuren enthalten. Aus der aufgeklärten Kristallstruktur des Ni²⁺-gebundenen Enzyms kann beobachtet werden, dass jede Untereinheit aus zwei Domänen besteht, den Resten 3-60 und 72-126, die durch ein dazwischenliegendes Segment von 12 Resten verbunden sind.

Abbildung 1. Feste Banddarstellungen der Kristallstrukturen von menschlicher und Escherichia coli Glyoxalase I (Thornalley, P. J. 2003)

Der Mechanismus der Glyoxalase I-Reaktion umfasst den Transfer eines basenkatalysierten geschützten Protons von C-1 zu C-2 des Hemithioacetals, das an die aktive Stelle an ein Ene-Diol-Intermediat bindet und schnell in ein Thioesterprodukt ketonisiert. Es wird derzeit angenommen, dass Glu-99 die katalytische Basis des R-Substrat-Enantiomers ist und Glu-172 die katalytische Basis des S-Substrat-Enantiomers. Beide Reaktionsmechanismen bilden ein cis-Ene-Diol-Intermediat (direkt koordiniert mit dem Zn²⁺-Ion): Glu-172 deprotoniert es zu cis-Ene-Diolat und reprotoniert dann C-2, um das R-2-Hydroxyacylglutathion-Produkt zu bilden. Analog zu menschlichen Enzymen könnten Glu-56 und Glu-122 Basen sein, die am katalytischen Mechanismus beteiligt sind.

Abbildung 2. Katalytischer Mechanismus von menschlicher Glyoxalase I für die Isomerisierung des R-Hemithioacetals (Thornalley, P. J. 2003)