PGI

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Phosphoglucose-Isomerase, wie der Name schon sagt, ist das Enzym, das entscheidend für die Umwandlung von D-Glukose-6-phosphat und D-Fruktose-6-phosphat ist.  PGI ist das Enzym, das für den zweiten Schritt der Glykolyse verantwortlich ist und an der Glukoneogenese beteiligt ist.  Daher ist es in Bakterien und Eukaryoten hochgradig konserviert.  Neben der Funktion als Isomerase dient PGI als Neuroleukin, autokriner Bewegungsfaktor und Mediator für Differenzierung und Reifung.  Neuroleukine, potente Zytokine, werden von T-Zellen sekretiert und fördern das Überleben spezifischer embryonaler und sensorischer Nerven. Darüber hinaus ermöglichen Neuroleukine B-Zellen, sich zu antikörperproduzierenden Zellen zu entwickeln.  Der autokrine Bewegungsfaktor bewirkt, dass Krebszellen migrieren, und scheint an der Tumormetastase und -invasion beteiligt zu sein.  Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der Mediator für Differenzierung und Reifung die Differenzierung von myeloischer Leukämie H-60-Zellen zu terminalen monocyten Zellen verursacht. Somit ist Phosphoglucose-Isomerase ein Protein mit vier einzigartigen Funktionen.

Abbildung 1. Struktur der Phosphoglucose-Isomerase.

Einführungen

Es wird angenommen, dass jede dieser Funktionen durch eine einzigartige aktive Stelle kontrolliert wird.  Dies macht PGI zu einem klassischen Beispiel für ein Moonlighting-Protein, ein Protein, das mehr als eine unabhängige Funktion hat.  Ursprünglich wurde geschätzt, dass es 80.000 bis 100.000 Gene im menschlichen Genom gibt.  Mit dem Abschluss der Sequenz des menschlichen Genoms wird jedoch jetzt geschätzt, dass es näher bei 30.000 Gesamtgenen liegt.  Eine mögliche Erklärung für diese Diskrepanz sind Moonlighting-Proteine, die mehrere Funktionen ausführen.  Weitere Beispiele für in der Literatur gefundene Moonlighting-Proteine sind Thrombin, ein Enzym, das das Blut gerinnen lässt und als Zytokin fungiert. Darüber hinaus entfernt Methionin-Aminopeptidase den aminoterminalen Methionin-Rest von synthetisierten Proteinen und wirkt als spezifischer Cofaktor in der translationalen Maschinerie des Ribosoms.

Strukturen

Rabbit PG1 ist ein Dimer, das aus zwei chemisch identischen Polypeptidketten besteht, von denen jede aus 555 Aminosäuren besteht. Jede Untereinheit des Dimer enthält zwei separate β-Faltblätter und ist von α-Helices umgeben. Alpha-Helix und Beta-Faltblatt bilden zwei asymmetrische Domänen in jeder Untereinheit. Die kleine Domäne enthält ein zentrales fünfsträngiges paralleles β-Faltblatt, das von Schleifen und α-Helices umgeben ist, während die große Domäne vier parallele β-Stränge und zwei antiparallele Stränge in der Nähe des N-Terminus hat. Das Carboxy-Terminus jeder Untereinheit besteht aus zwei Helices und einer Schleife, die in die benachbarte Untereinheit hineinragt. Der Amino-Terminus besteht aus 36 Aminosäureresten, die eine Alpha-Helix bilden, gefolgt von einer Schleife und einem Beta-Faltblatt. Haken können an extrazellulären Funktionen oder der Anheftung von Untereinheiten teilnehmen und ragen von der Seite jeder Untereinheit in einem Helix-Dreh-Helix-Motiv heraus. Daher zeigt eine Untereinheit deutlich die relative Position des Carboxy-terminalen Amino-Terminus und des Hakens. Jede Untereinheit ist mit 6-Phosphogluconat (einem Inhibitor) co-kristallisiert. Es wird angenommen, dass PGI eine einzigartige sekundäre Struktur hat.

Mechanismus der Isomerisierung

Im vorgeschlagenen Mechanismus der Isomerisierung bindet die zyklische Form von Glukose-6-phosphat an die aktive Stelle, und ihr Ring-Sauerstoff wird durch das Enzym protoniert.  Dies würde dazu führen, dass der Ring sich öffnet und das C-2-Proton von Glukose-6-phosphat relativ sauer wird. His-388 in einem His-388/Glu-216 katalytischen Diade deprotoniert C-2, was einen Elektronenshift verursacht, der zur Bildung einer Doppelbindung zwischen C-1 und C-2 führt. Dies wird von der Addition eines Protons von Lys-518 und der Bildung des cis-Enediol-Intermediats begleitet. 

Klinische Bedeutung

• Ein akuter Myokardinfarkt kann dazu führen, dass die GPI-Aktivität des Serums des Patienten ansteigt, einen Höchstwert innerhalb von 24 Stunden nach Brustschmerzen erreicht und schnell innerhalb von 48 Stunden bis 3 Tagen wieder auf normal zurückkehrt. 63% der Patienten mit dekompensierter Herzinsuffizienz können auf Gewebshypoxie zurückzuführen sein, was zu einer erhöhten GPI-Aktivität führt.
• Die GPI-Aktivität im Serum ist bei akuter Hepatitis signifikant erhöht.
• Die auffälligste Veränderung der GPI-Aktivität ist bei Patienten mit verschiedenen Arten von Lungenkrebs zu beobachten, und der Anstieg beträgt etwa das 6-fache des Kontrollwerts.
• Andere bösartige Tumoren können ebenfalls zu einer erhöhten GPI-Aktivität im Serum führen.
• Bei primärer Muskel- und Dermatomyositis steigt die GPI-Aktivität des Serums des Patienten.
• Kinder mit GPI angeborenen Defekten haben oft eine chronische Hämolyse.
• Etwa 60% der Patienten mit bösartigen Tumoren des zentralen Nervensystems haben eine erhöhte Enzymaktivität in der cerebrospinalen Flüssigkeit, während Patienten mit benignen Tumoren normale Enzymaktivitäten aufweisen.
• Patienten mit bakterieller oder tuberkulöser Meningitis haben eine erhöhte GPI-Aktivität in der cerebrospinalen Flüssigkeit.
• Die GPI-Aktivität in der Vaginalflüssigkeit von Patienten mit Gebärmutterkrebs ist signifikant erhöht.