Transaldolase

Verwandte Lektüre

Transaldolase ist eines der Enzyme im nichtoxidativen Zweig des Pentosephosphatwegs und katalysiert die reversible Übertragung einer Dihydroxyaceton‑Einheit von Fructose‑6‑phosphat auf Erythrose‑4‑phosphat unter Bildung von Sedoheptulose‑7‑phosphat und Glycerinaldehyd‑3‑phosphat. Der Reaktionsmechanismus umfasst die Bildung eines Schiff‑Basen‑Intermediats durch ein Lysin im aktiven Zentrum, ein charakteristisches Merkmal der Klasse‑I‑Aldolasen. Vergleiche der Aminosäuresequenzen legen nahe, dass Transaldolasen in zwei Unterklassen eingeteilt werden können: die Transaldolase‑ und die MipB/TalC‑Subfamilien. Die meisten Enzyme der Transaldolase‑Subfamilie bestehen aus etwa 320–350 Aminosäuren pro Polypeptidkette. Die Kristallstrukturanalyse der Transaldolase aus Escherichia coli, einem Vertreter dieser Subfamilie, zeigte, dass diese Enzyme eine achtsträngige α/β‑Fass‑(Barrel‑)Faltung aufweisen und durch eine zirkuläre Permutation mit anderen Klasse‑I‑Aldolasen verwandt sind. Diese Permutation des Transaldolase‑Gens verschiebt den katalytischen Lysinrest von der klassischen Position in β‑Strang 6 bei Klasse‑I‑Aldolasen zu β‑Strang 4 des α/β‑Barrels.

Abbildung 1. Struktur der Transaldolase.

Mechanismus

Der Pentosephosphatweg erfüllt zwei metabolische Funktionen: (1) die Bereitstellung von Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (reduziertes NADPH) für reduktive Biosynthesen und (2) die Bildung von Ribose, die Bestandteil von ATP und DNA sowie ein wesentlicher Bestandteil der RNA ist. Transaldolase verknüpft den Pentosephosphatweg mit der Glykolyse. Bei Patientinnen und Patienten mit Transaldolase‑Mangel kommt es zur Akkumulation von Erythrit (aus Erythrose‑4‑phosphat), D‑Arabitol und Ribitol. Eine Deletion von 3 Basenpaaren im TALDO1‑Gen führt zum Verlust von Serin an Position 171 des Transaldolase‑Proteins, das Teil einer hochkonservierten Region ist; dies spricht dafür, dass diese Mutation einen Enzymmangel der in Erythrozyten und Lymphoblasten vorkommenden Transaldolase verursacht. Im frühen Säuglingsalter kann das Fehlen dieser Aminosäure zu Leberzirrhose und Hepatosplenomegalie (Vergrößerung von Milz und Leber) führen. Transaldolase ist zudem ein Autoimmunziel bei Patientinnen und Patienten mit Multipler Sklerose.

Strukturen

Transaldolase ist eine Ein‑Domänen‑Proteinstruktur, die aus 337 Aminosäuren besteht. Das aktive Zentrum befindet sich im Zentrum des Barrels und enthält drei Schlüsselreste: Lysin 142, Glutaminsäure 106 und Asparaginsäure 27. Lysin fixiert den Zucker, während Glutaminsäure und Asparaginsäure als Protonendonoren bzw. ‑akzeptoren fungieren. Die Kernstruktur ist ein α/β‑Barrel, ähnlich wie bei anderen Klasse‑I‑Aldolasen, bestehend aus acht parallelen β‑Faltblättern und sieben α‑Helices. Darüber hinaus gibt es sieben weitere α‑Helices, die nicht Teil des Barrels sind. Hydrophobe Aminosäuren liegen zwischen der β‑Faltblatt‑Schicht im Barrel und der umgebenden α‑Helix und begünstigen die Packung, beispielsweise in der Region mit Leu‑168, Phe‑170, Phe‑189, Gly‑311 und Phe‑315. Im Kristall bildet die humane Transaldolase ein Dimer, wobei zwei Untereinheiten über jeweils 18 Aminosäurereste pro Untereinheit miteinander verbunden sind.

Katalytisch

Nachdem der Lysin‑142‑Rest im aktiven Zentrum der Transaldolase durch ein weiteres aktives Zentrum‑Glutamat 106 deprotoniert wurde, bildet er eine Schiff‑Base mit der Ketogruppe in Heptose‑7‑phosphat. Der Reaktionsmechanismus ähnelt der von der Aldolase katalysierten Rückreaktion: Die Bindung zwischen Kohlenstoff 3 und 4 wird gespalten, und Dihydroxyaceton ist über eine Schiff‑Base an das Enzym gebunden. Diese Spaltungsreaktion erzeugt die ungewöhnliche Aldose Erythrose‑4‑phosphat. Anschließend katalysiert die Transaldolase die Kondensation von Glycerinaldehyd‑3‑phosphat mit der Schiff‑Base des Dihydroxyacetons zur Bildung von enzymgebundenem Fructose‑6‑phosphat. Die Hydrolyse der Schiff‑Base setzt freies Fructose‑6‑phosphat frei, das eines der Produkte des Pentosephosphatwegs ist.