Transaldolase

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Transaldolase ist eines der Enzyme im nicht-oxidativen Zweig des Pentosephosphatwegs, das den reversiblen Transfer einer Dihydroxyacetongruppe von Fructose-6-phosphat zu Erythrose-4-phosphat katalysiert und Sedoheptulose-7-phosphat sowie Glycerinaldehyd-3-phosphat erzeugt. Der Reaktionsmechanismus umfasst die Bildung eines Schiff-Basen-Intermediats durch eine aktive Seitenlysin, ein charakteristisches Merkmal der Klasse I Aldolasen. Vergleiche der Aminosäuresequenzen deuten darauf hin, dass Transaldolasen in zwei Unterklassen unterteilt werden können: die Transaldolase- und die MipB/TalC-Unterfamilien. Die meisten Enzyme der Transaldolase-Unterfamilie bestehen aus etwa 320–350 Aminosäuren pro Polypeptidkette. Die Kristallstrukturanalyse der Escherichia coli Transaldolase, einem Vertreter dieser Unterfamilie, zeigte, dass diese Enzyme eine achtsträngige α/β-Fassstruktur enthalten und dass sie durch eine zirkuläre Permutation mit anderen Klasse I Aldolasen verwandt sind. Diese Permutation des Transaldolase-Gens verschiebt das katalytische Lysinrest von der klassischen Position in β-Strang 6 in Klasse I Aldolasen zu β-Strang 4 des α/β-Fasses.

Abbildung 1. Struktur der Transaldolase.

Mechanismus

Der Pentosephosphatweg hat zwei Stoffwechsel-Funktionen: (1) die Produktion von Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (reduziertes NADPH) für die reduktive Biosynthese und (2) die Bildung von Ribose, die Bestandteil von ATP, DNA und ein wichtiger Teil von RNA ist. Transaldolase verbindet den Pentosephosphatweg mit der Glykolyse. Bei Patienten, die an Transaldolase-Mangel leiden, reichern sich Erythritol (aus Erythrose-4-phosphat), D-Arabitol und Ribitol an. Die Deletion von 3 Basenpaaren im TALDO1-Gen führt zu einer Deletion von Serin an Position 171 des Transaldolase-Proteins, das Teil eines hochkonservierten Bereichs ist, was darauf hinweist, dass diese Mutation den Transaldolase-Mangel in roten Blutkörperchen und Lymphoblasten verursacht. In der frühen Kindheit kann der Mangel an dieser Aminosäure zu Leberzirrhose und Hepatosplenomegalie (vergrößerte Milz und Leber) führen. Transaldolase ist auch ein Autoimmunziel für Patienten mit Multipler Sklerose.

Strukturen

Transaldolase ist ein einzelnes Domäne, das aus 337 Aminosäuren besteht. Die aktive Stelle befindet sich in der Mitte des Fasses und enthält drei Schlüsselreste: Lysin 142, Glutaminsäure 106 und Asparaginsäure 27. Lysin fixiert den Zucker an Ort und Stelle, während Glutaminsäure und Asparaginsäure als Protonendonoren und -akzeptoren fungieren. Die Kernstruktur ist ein α/β-Fass, ähnlich wie bei anderen Klasse I Aldolasen, bestehend aus acht parallelen β-Faltblättern und sieben α-Helices. Es gibt sieben weitere Alpha-Helices, die nicht Teil des Fasses sind. Hydrophobe Aminosäuren befinden sich zwischen der β-Faltblatt-Schicht im Fass und der umgebenden α-Helix, um die Ansammlung zu erleichtern, wie die Region, die Leu-168, Phe-170, Phe-189, Gly-311 und Phe-315 enthält. Im Kristall bildet die menschliche Transaldolase ein Dimer, wobei zwei Untereinheiten durch 18 Reste in jeder Untereinheit verbunden sind.

Katalytisch

Nachdem das Lysin-142-Rest in der aktiven Stelle der Transaldolase durch ein anderes aktives Stellen-Glutamat 106 deprotoniert wurde, bildet es eine Schiff-Basis mit der Ketogruppe in Heptaphosphat. Der Reaktionsmechanismus ähnelt der umgekehrten Reaktion, die von Aldolase katalysiert wird: die Bindung zwischen Kohlenstoff 3 und 4 wird gebrochen, und Dihydroxyaceton wird über die Schiff-Basis an das Enzym gebunden. Diese Spaltungsreaktion produziert das ungewöhnliche Aldoseerythrose-4-phosphat. Dann katalysiert Transaldolase die Kondensation von Glycerinaldehyd-3-phosphat mit der Schiff-Basis von Dihydroxyaceton, um enzymgebundenes Fructose-6-phosphat zu erzeugen. Die Hydrolyse der Schiff-Basis setzt freies Fructose-6-phosphat frei, das eines der Produkte des Pentosephosphatwegs ist.