Transketolase

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Transketolase ist ein Enzym, das eine wichtige Rolle im Pentosephosphatweg sowie im photosynthetischen reduktiven Pentosephosphatzyklus spielt. Es kommt weit verbreitet in Bakterien, Hefen, Spinat und Lebergewebe vor. Kristalle wurden gewonnen. Thiaminpyrophosphat und Mg⁺⁺ dienen als prosthetische Gruppen.

Struktur

Der Zugang zum aktiven Zentrum des Enzyms wird hauptsächlich durch mehrere Seitenketten von Arginin, Histidin, Serin und Asparaginsäure gebildet; die Seitenkette der Glutaminsäure spielt eine untergeordnete Rolle. Diese Seitenketten, insbesondere Arg359, Arg528, His469 und Ser386, sind in allen Transketolasen konserviert und interagieren mit den Phosphatgruppen der Donor- und Akzeptorsubstrate. Da der Substratkanal zu eng ist, können Donor- und Akzeptorsubstrat nicht gleichzeitig gebunden werden. Ebenso wird das Substrat bei Bindung an das aktive Zentrum leicht gestreckt, um diesen engen Kanal zu berücksichtigen. Obwohl dieses Enzym viele Substrattypen binden kann, wie phosphorylierte und nicht phosphorylierte Monosaccharide, einschließlich Ketosen und Aldosen, Fructose, Ribose usw., ist es hochspezifisch für die dreidimensionale Konfiguration der Zuckerhydroxylgruppen. Die Hydroxylgruppen an C-3 und C-4 des Ketose-Donors müssen in der D-threo-Konfiguration vorliegen, um korrekt den C-1- und C-2-Positionen des Aldose-Akzeptors zu entsprechen. Zudem stabilisieren sie das Substrat im aktiven Zentrum durch Interaktion mit den Resten Asp477, His30 und His263. Eine Störung dieser Konfiguration – sei es durch die Positionierung der Hydroxylgruppe oder deren Stereochemie – verändert daher die Wasserstoffbrückenbindung zwischen Rest und Substrat und führt zu einer verminderten Substrataffinität.

Funktion

Die Funktion dieses Enzyms besteht darin, die Ketolgruppe (Ketol) von einem Ketosephosphat auf ein Aldosephosphat zu übertragen. Da sowohl die gespaltenen Moleküle als auch die durch die Kombination entstehenden Moleküle Ketolgruppen enthalten, wird es als Transketolase bezeichnet. Xylulose-5-phosphat, Sedoheptulose-7-phosphat, Fructose-6-phosphat usw. sind biochemisch bedeutsame Ketol-Donoren. Alle Zucker müssen die dargestellte Anordnung der OH-Gruppen an den Positionen 3 und 4 aufweisen. Darüber hinaus können auch Xylulose, Erythrulose, Hydroxypyruvat usw. als Ketolgruppen-Donoren dienen, jedoch ist ihre Reaktivität geringer als die der oben genannten Phosphatverbindungen. Als Ketol-Akzeptoren dienen Glycerinaldehyd-3-phosphat, Erythrose-4-phosphat, Ribose-5-phosphat und Glykolaldehyd – mit Ausnahme der auf Hydroxypyruvat basierenden. Im Allgemeinen sind diese Reaktionen reversibel.

Mechanismus

Transketolase spielt eine zentrale Rolle im Calvin-Zyklus der pflanzlichen Photosynthese. Ihre Aktivität ist der limitierende Faktor für die maximale Photosyntheserate von Pflanzen. Bereits eine geringe Abnahme der Aktivität kann zu einer Verringerung der Wachstumsgeschwindigkeit und der Aromaten führen sowie die Biosynthese von Aminosäuren und Phenylalanin-Metaboliten hemmen. Da TK eine Schlüsselrolle in der pflanzlichen Photosynthese spielt und Proteinsequenz sowie Funktion von TK in verschiedenen Pflanzen sehr ähnlich sind, ist die Untersuchung von TK sowohl für die Verbesserung der photosynthetischen Effizienz als auch für die Erforschung neuer Herbizide von großer Bedeutung. TK wurde erstmals in Saccharomyces cerevisiae entdeckt und später auch in Bakterien, Pflanzen und Tieren nachgewiesen. Daher hat es große Aufmerksamkeit erlangt. Zahlreiche Wissenschaftler haben sukzessive die physiologische Funktion und metabolische Aktivität des Gens untersucht. Nach Untersuchungen von SCHENK u. a. katalysiert TK den reversiblen Transfer von Zwei-Kohlenstoff-Einheiten von Ketosephosphaten auf Aldosephosphate und fördert die reversible Umwandlung zwischen Hexosen, Pentosen, Tetrosen und Triosen. In unterschiedlichen Organismen unterscheidet sich zudem die Substratspezifität von TK.

Rolle bei Erkrankungen

Bei Thiaminmangel ist die Transketolaseaktivität vermindert, was üblicherweise durch Mangelernährung bedingt ist. Thiaminmangel ist mit mehreren Erkrankungen assoziiert, darunter Beriberi und die biotin-thiamin-responsive Basalganglien-Erkrankung. Beim Wernicke-Korsakoff-Syndrom lassen sich zwar keine Mutationen nachweisen, jedoch gibt es Hinweise darauf, dass Thiaminmangel nur bei Personen mit verminderter Transketolase-Affinität zu Thiamin ein Wernicke-Korsakoff-Syndrom auslösen kann. Dadurch wird die Aktivität der Transketolase stark beeinträchtigt, und infolgedessen wird der gesamte Pentosephosphatweg gehemmt.