Ribokinase

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Einleitung

Ribokinasen (RK) gehören zur Phosphofructokinase‑B‑(PfkB‑)Familie der Glukokinasen. Weitere Mitglieder dieser Familie (auch als RK‑Familie bezeichnet) sind die Adenosinkinase (AK), die Inosin‑Guanosin‑Kinase, die Fructokinase sowie die 1‑Phosphofructokinase. Mitglieder der PfkB/RK‑Familie werden anhand des Vorhandenseins von drei konservierten Sequenzmotiven identifiziert; die enzymatische Aktivität dieser Proteinfamilie zeigt typischerweise eine Abhängigkeit von der Anwesenheit pentavalenter Ionen. Das konservierte NXXE‑Motiv ist ein charakteristisches Merkmal der PfkB‑Proteinfamilie und steht in Zusammenhang mit der Abhängigkeit von pentavalenten Ionen. Die Struktur von RK und mehreren weiteren PfkB‑Proteinen wurde in zahlreichen Organismen aufgeklärt. Obwohl die Sequenzähnlichkeit zwischen AdK und anderen PfkB‑Proteinfamilien gering ist, sind diese Proteine auf struktureller Ebene sehr ähnlich.

Abbildung 1. Ribokinase‑Homodimer.

Überblick über die RK‑Familie

RK‑Gene kommen sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten vor; Sequenzvergleiche zeigen, dass sie zur PfkB‑Familie der Kohlenhydrat‑Kinasen gehören, die die Hydroxymethylgruppen verschiedener Zuckermoleküle phosphorylieren. Damit stellt die PfkB‑Enzymfamilie, auch als RK‑Familie bezeichnet, neben der Hexokinase‑Familie und der Galaktokinase‑Familie einen der drei nicht‑homologen Zweige der Glykokinasen dar. Ursprünglich umfasste die RK‑Familie nur eine geringe Anzahl evolutionär verwandter Enzyme. Neben RKs aus E. coli und Hefe zählten zu dieser Gruppe u. a. Fructokinase, 1‑Phosphofructokinase, 6‑Phosphofructo‑2‑Kinase (PfkB bzw. PFK2), 6‑Phospho‑Tachharid‑Kinase sowie Inositid‑Kinase (INGK). Seitdem wurden zahlreiche weitere Enzyme der RK‑Familie zugeordnet, darunter AK und 2‑Dehydro‑3‑Deoxyglukose‑Kinase.

Struktur der RK

Die erste dreidimensionale Kristallstruktur der RK wurde 1998 für das Protein aus E. coli bestimmt. RK liegt in Lösung als Homodimer vor, wobei jedes Monomer aus zwei strukturellen Domänen besteht. Die größere Domäne wird durch ein neunstängiges β‑Faltblatt gebildet, das von 10 α‑Helices flankiert wird. Diese α/β/α‑Sandwich‑Struktur vermittelt den überwiegenden Teil der spezifischen Bindung der Substrate Ribose und ATP. Die kleinere Domäne besteht aus vier β‑Strängen, die als „Kappe“ für das aktive Zentrum dienen. Die äußere Oberfläche dieses β‑Faltblatts bildet eine Grenzfläche für dimerische Interaktionen, über die die beiden β‑Faltblätter des Dimers orthogonal zueinander gepackt werden und ein flaches β‑Fass ausbilden. Die gekreuzten Segmente jeder Untereinheit tragen zudem zur Ausbildung des aktiven Zentrums des jeweiligen Dimerpartners bei.

Abbildung 2. Struktur einer E. coli‑Ribokinase‑Untereinheit. (Park J, et al. 2008)

Genstruktur der RK

Das RK‑Gen wurde in humanen Zellen charakterisiert. Das humane RK‑Gen liegt auf Chromosom 2, umfasst etwa 110 kb und beinhaltet acht Exons mit einer Länge von 63 bis 189 Nukleotiden. Interessanterweise weist die humane RK eine höhere Sequenzidentität mit RK‑Sequenzen aus Protozoen (z. B. Trypanosomen und Amöben) sowie verschiedenen Bakterien auf als mit homologen Sequenzen aus Pflanzen (Arabidopsis) und Pilzen (Saccharomyces cerevisiae). Diese Ergebnisse waren unerwartet, da Pilze und Pflanzen evolutionär näher mit Tieren verwandt sind als Bakterien. Somit könnten RKs pflanzlicher und pilzlicher Spezies unabhängig von RKs tierischer und protozoischer Spezies entstanden sein. Ebenso ist möglich, dass die bislang nicht biochemisch charakterisierten RK‑Sequenzen aus Pflanzen und Pilzen tatsächlich anderen Glykokinasen entsprechen.

Phosphat‑ bzw. pentavalente‑Ionen‑Abhängigkeit der RK

Eine weitere wichtige biochemische Eigenschaft von RKs ist, dass ihre katalytische Aktivität nahezu vollständig von der Anwesenheit pentavalenter Ionen (PVI), wie z. B. Phosphat, abhängig ist. In beiden Fällen führt die Zugabe von anorganischem Phosphat zu einer Erhöhung der maximalen Enzymgeschwindigkeit sowie zu einer Abnahme des Km‑Werts für die Substrate Adenosin und Ribose.