Galaktokinaza

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Model struktury monomeru ludzkiej galaktokinazy 1 w kompleksie z galaktozą (przedstawiona na czerwono) i analogiem ATP (przedstawiony na pomarańczowo)

Galaktokinazaenzym, fosfotransferaza umożliwiająca fosforylację α-D-galaktozy do galaktozo-1-fosforanu przy wykorzystaniu jednej cząsteczki ATP[1]. Galaktokinaza katalizuje drugi etap szlaku metabolicznego Leloira, który występuje u większości organizmów i odpowiada za metabolizm β-D-galaktozy do glukozo-1-fosforanu[2]. Galaktokinazę po raz pierwszy wyizolowano z wątroby ssaków. Później szeroko badana była jej forma wyizolowana z drożdży[3][4], archeonów[5], roślin[6][7] i komórek ludzkich[8][9].

Struktura[edytuj | edytuj kod]

Galaktokinaza składa się z dwóch domen oddzielonych od siebie dużą szczeliną. Te dwa regiony znane są jako domena N- i C-końcowa. Pierścień adeninowy ATP wiąże się z hydrofobową kieszenią, leżąc na ich powierzchni. Domena N-końcowa ma pięć łańcuchów β-harmonijek i pięć α-helis. Domena C-końcowa charakteryzuje się obecnością dwóch warstw naprzemianległych β-harmonijek i sześciu α-helis[8]. Galaktokinaza nie należy do rodziny kinaz cukrowych, ale raczej do klasy enzymów zależnych od ATP – tzw. kinaz rodziny GHMP[10]. GHMP jest skrótem odnoszącym się do oryginalnych członków rodziny enzymów tj. galaktokinazy, kinazy homoseryny, kinazy mewalonianowej i kinazy fosfomewalonianowej. Członkowie nadrodziny GHMP charakteryzują się wysokim podobieństwem struktury trójwymiarowej przy jednoczesnym podobieństwie sekwencji aminokwasowej jedynie w zakresie 10–20%. Enzymy te zawierają trzy wysoko konserwatywne motywy (I, II i III), z których drugi jest zaangażowany w wiązanie nukleotydów i zawiera sekwencję Pro-XXX-Gly-Leu-X-Ser-Ser-Ala[11]

Specyficzność substratowa enzymu[edytuj | edytuj kod]

Galaktokinazy wyizolowane z różnych organizmów wykazują dużą różnorodność w zakresie specyficzności substratowej. Galaktokinaza E. coli może fosforylować 2-deoksy-D-galaktozę, 2-amino-2-deoksy-D-galaktozę, 3-deoksy-D-galaktozę i D-fukozę. Enzym nie toleruje modyfikacji w pozycji C-4, ale zmiany w pozycji C-2 D-galaktozy nie wpływają na jego funkcjonowanie[12]. Zarówno ludzka jak i szczurza galaktokinaza są zdolne do skutecznej fosforylacji 2-deoksy-D-galaktozy[13][14]. Natomiast galaktokinaza wyizolowana z S. cerevisiae jest wysoce specyficzna dla D-galaktozy i nie potrafi fosforylować glukozy, mannozy, arabinozy, fukozy, laktozy, galaktitolu czy 2-deoksy-D-galaktozy[3][4]. Ponadto stwierdzono międzygatunkowe różnice w właściwościach kinetycznych enzymu[8].

Mechanizm[edytuj | edytuj kod]

Niedawno zostały opisane funkcje reszt aminokwasowych miejsca aktywnego ludzkiej galaktokinazy. Reszta Asp-186 oddziela proton od grupy C1-OH α-D-galaktozy, czego następstwem jest nukleofilowy atak alkoholanu na resztę γ-fosforanową ATP. Grupa fosforanowa łączy się z cukrem i Asp-186 może być deprotonowana przez wodę. Arg-37 stabilizuje anioniową formę Asp-186 oraz może mieć również zasadnicze znaczenie dla aktywności galaktokinazy[9]. Zarówno reszta kwasu asparaginowego, jak i argininy miejsca aktywnego galaktokinaz są wysoce konserwatywne[8].

Prawdopodobny mechanizm działania galaktokinazy[9]. Reszta asparaginianowa jest stabilizowana w formie anionowej w pobliżu reszty argininy.
Sieć krystaliczna miejsca aktywnego galaktokinazy wyizolowanej z Lactococcus lactis[11]. Galaktokinaza jest przedstawiona na zielono, fosforan na pomarańczowo, a reszta odpowiedzialna za wiązanie cukrowego ligandu na purpurowo: Arg-36, Glu-42, Asp-45, Asp-183 i Tyr-233. Arg-36 i Asp-183 galaktokinazy Lactococcus lactis są analogami do Arg-37 i Asp-186 w cząsteczce ludzkiej galaktokinazy.

Znaczenie biologiczne[edytuj | edytuj kod]

Szlak enzymatyczny Leloira prowadzi do konwersji galaktozy w glukozę. Galaktoza jest obecna w produktach mleczarskich, w owocach i warzywach oraz może być wytwarzana endogennie w procesach degradacji glikoprotein i glikolipidów. W szlaku Leloira wymagane są trzy enzymy: galaktokinaza, urydylotransferaza galaktozo-1-fosforanu i 4-epimeraza UDP-galaktozy. Galaktokinaza katalizuje pierwszy etap metabolizmu galaktozy, w którym powstaje galaktozo-1-fosforan[2][15].

Znaczenie w patologii[edytuj | edytuj kod]

Galaktozemia jest rzadkim zaburzeniem metabolicznym charakteryzującym się zmniejszoną zdolnością do metabolizowania galaktozy. Może być spowodowana przez mutacje w każdym z trzech enzymów na szlaku Leloir[2]. Niedobór galaktokinazy tzw. galaktozemia typu II jest zaburzeniem metabolicznym dziedziczonym recesywnie spowodowanym przez mutację ludzkiego genu galaktokinazy. Zidentyfikowano około 20 mutacji będących przyczyną galaktozemii typu II, której głównym objawem jest wczesny rozwój zaćmy. Reduktaza aldozy w komórkach soczewki ludzkiego oka przekształca galaktozę do galaktitolu. Galaktitol gromadzi się w związku z mutacją galaktokinazy, która nie prowadzi katabolizmu galaktozy do glukozy. Gradient galaktitolu przez błonę soczewki wywołuje osmotyczną absorpcję wody i pęcznienie komórek soczewki, co w konsekwencji prowadzi do ich ewentualnej apoptozy[16].

Przypisy

  1. galactokinase. W: Medical Dictionary [on-line]. [dostęp 2013-01-26].
  2. 2,0 2,1 2,2 PA Frey. The Leloir pathway: a mechanistic imperative for three enzymes to change the stereochemical configuration of a single carbon in galactose. „FASEB J”. 10 (4), s. 461–70, 1996. PMID 8647345. 
  3. 3,0 3,1 Purification of galactokinase mRNA from Saccharomyces cerevisiae by indirect immunoprecipitation. „J Biol Chem”. 254 (9), s. 3531–6, 1979. PMID 107173. 
  4. 4,0 4,1 Contribution of Amino Acid Side Chains to Sugar Binding Specificity in a Galactokinase, Gal1p, and a TranscriptionalInducer, Gal3p. „J Biol Chem”. 281 (25), s. 17150–5, 2006. doi:10.1074/jbc.M602086200. PMID 16603548. 
  5. Substrate specificity and mechanism from the structure of Pyrococcus furiosus galactokinase. „J Mol Biol”. 337 (2), s. 387–98, 2004. doi:10.1016/j.jmb.2004.01.043. PMID 15003454. 
  6. Purification and mechanism of action of a plant galactokinase. . 58 (5), s. 499–504, 1976. doi:10.1016/s0300-9084(76)80218-0. PMID 182286. 
  7. PM Dey. Galactokinase of Vicia faba seeds. . 136 (1), s. 155–9, 1983. doi:10.1111/j.1432-1033.1983.tb07720.x. PMID 6617655. 
  8. 8,0 8,1 8,2 8,3 Galactokinase: structure, function and role in type II galactosemia. „Cell Mol Life Sci”. 61 (19–20), s. 2471–84, 2004. doi:10.1007/s00018-004-4160-6. PMID 15526155. 
  9. 9,0 9,1 9,2 The role of the active site residues in human galactokinase: Implications for the mechanisms of GHMP kinases. „Cell Mol Life Sci”. 39 (3), s. 120–126, 2011. doi:10.1016/j.bioorg.2011.03.001. 
  10. Molecular and biochemical characterization of human galactokinase and its small molecule inhibitors. „Chem Biol Interact”. 188 (3), s. 376–85, 2010. doi:10.1016/j.cbi.2010.07.025. PMID 20696150. PMC:PMC2980576. 
  11. 11,0 11,1 Molecular structure of galactokinase. „J Biol Chem”. 278 (35), s. 33305–11, 2003. doi:10.1074/jbc.M304789200. PMID 12796487. 
  12. Studies on the substrate specificity of Escherichia coli galactokinase. „Org Lett”. 5 (13), s. 2223–6, 2003. doi:10.1021/ol034642d. PMID 12816414. 
  13. Sugar recognition by human galactokinase. „BMC Biochem”. 4, s. 16, 2003. doi:10.1186/1471-2091-4-16. PMID 14596685. PMC:280648. 
  14. Some properties of galactokinase in developing rat liver. „Biochem J”. 108 (2), s. 169–75, 1968. PMID 5665881. PMC:1198790. 
  15. Structure and function of enzymes of the Leloir pathway for galactose metabolism. „J Biol Chem”. 278 (45), s. 43885–8, 2003. doi:10.1074/jbc.R300025200. PMID 12923184. 
  16. Functional analysis of disease-causing mutations in human galactokinase. „Eur J Biochem”. 270 (8), s. 1767–74, 2003. doi:10.1046/j.1432-1033.2003.03538.x. PMID 12694189.