stringtranslate.com

Галактокиназа

Галактокиназа — это фермент (фосфотрансфераза), который облегчает фосфорилирование α-D-галактозы в галактозо -1-фосфат за счет одной молекулы АТФ . [1] Галактокиназа катализирует второй этап пути Лелуара , метаболического пути, обнаруженного у большинства организмов для катаболизма α- D -галактозы в глюкозо-1-фосфат . [2] Впервые выделенная из печени млекопитающих , галактокиназа была тщательно изучена на дрожжах , [3] [4] археях , [5] растениях , [6] [7] и людях . [8] [9]

Структура

Галактокиназа состоит из двух доменов, разделенных большой щелью. Эти два региона известны как N- и C-концевые домены, а адениновое кольцо АТФ связывается в гидрофобном кармане, расположенном на их границе. N-концевой домен отмечен пятью цепями смешанных бета-слоев и пятью альфа-спиралями , а C-концевой домен характеризуется двумя слоями антипараллельных бета-слоев и шестью альфа-спиралями. [8] Галактокиназа не принадлежит к семейству сахарных киназ , а скорее к классу АТФ-зависимых ферментов, известному как суперсемейство GHMP . [10] GHMP — это аббревиатура, относящаяся к его первоначальным членам: галактокиназе, гомосериновой киназе , мевалонаткиназе и фосфомевалонаткиназе . Члены суперсемейства GHMP имеют большое трехмерное сходство, несмотря на то, что идентичность последовательности составляет всего от 10 до 20%. Эти ферменты содержат три хорошо сохранившихся мотива (I, II и III), второй из которых участвует в связывании нуклеотидов и имеет последовательность Pro -XXX- Gly - Leu -X- Ser -Ser- Ala . [11]

Специфичность сахара

Галактокиназы у разных видов демонстрируют большое разнообразие субстратной специфичности . Галактокиназа E. coli также может фосфорилировать 2-дезокси-D-галактозу, 2-амино-дезокси-D-галактозу, 3-дезокси-D-галактозу и D-фукозу . Фермент не переносит никаких модификаций C-4, но изменения в положении C-2 D-галактозы не мешают функции фермента. [12] Как человеческие, так и крысиные галактокиназы также способны успешно фосфорилировать 2-дезокси-D-галактозу. [13] [14] Галактокиназа из S. cerevisiae , с другой стороны, высокоспецифична для D-галактозы и не может фосфорилировать глюкозу , маннозу , арабинозу , фукозу, лактозу , галактитол или 2-дезокси-D-галактозу. [3] [4] Более того, кинетические свойства галактокиназы также различаются у разных видов. [8] Специфичность галактокиназ из разных источников по отношению к сахару значительно расширилась благодаря направленной эволюции [15] и структурной белковой инженерии . [16] [17] Соответствующие широкоразрешимые аномерные киназы сахаров служат краеугольным камнем для гликорандомизации in vitro и in vivo . [18] [19] [20]

Механизм

Недавно стали понятны роли остатков активного центра в человеческой галактокиназе. Asp -186 отрывает протон от C1-OH α-D-галактозы, и полученный алкоксидный нуклеофил атакует γ- фосфор АТФ. Фосфатная группа переносится на сахар, и Asp-186 может быть депротонирован водой . Соседний Arg -37 стабилизирует Asp-186 в его анионной форме и также, как было доказано, имеет важное значение для функции галактокиназы в экспериментах с точечной мутацией . [9] Остатки активного центра как аспарагиновой кислоты, так и аргинина высококонсервативны среди галактокиназ . [8]

Вероятный механизм галактокиназы. [9] Остаток аспартата стабилизируется в своей анионной форме близлежащим остатком аргинина.
Кристаллическая структура активного центра галактокиназы из Lactococcus lactis. [11] Галактокиназа показана зеленым цветом, фосфат — оранжевым, а остатки, ответственные за связывание сахарного лиганда, показаны пурпурным: Arg-36, Glu-42, Asp-45, Asp-183 и Tyr-233. Arg-36 и Asp-183 галактокиназы Lactococcus lactis аналогичны Arg-37 и Asp-186 в человеческой галактокиназе. (Из PDB : 1PIE ​)

Биологическая функция

Путь Лелуара катализирует превращение галактозы в глюкозу. Галактоза содержится в молочных продуктах , а также во фруктах и ​​овощах и может вырабатываться эндогенно при расщеплении гликопротеинов и гликолипидов . Для пути Лелуара требуются три фермента: галактокиназа, галактозо-1-фосфатуридилилтрансфераза и UDP-галактозо-4-эпимераза. Галактокиназа катализирует первый обязательный этап катаболизма галактозы, образуя галактозо-1-фосфат. [2] [21]

Актуальность заболевания

Галактоземия , редкое метаболическое расстройство , характеризующееся снижением способности метаболизировать галактозу, может быть вызвано мутацией в любом из трех ферментов в пути Лелуара. [2] Дефицит галактокиназы , также известный как галактоземия типа II, является рецессивным метаболическим расстройством, вызванным мутацией в человеческой галактокиназе. Было выявлено около 20 мутаций, которые вызывают галактоземию типа II, основным симптомом которой является раннее начало катаракты . В клетках хрусталика человеческого глаза альдозоредуктаза превращает галактозу в галактитол . Поскольку галактоза не катаболизируется в глюкозу из-за мутации галактокиназы, галактитол накапливается. Этот градиент галактитола через мембрану клеток хрусталика запускает осмотическое поглощение воды, и наступает отек и в конечном итоге апоптоз клеток хрусталика. [22]

Ссылки

  1. ^ "галактокиназа". Медицинский словарь . Получено 26.01.2013 .
  2. ^ abc Frey PA (март 1996). «Путь Лелуара: механистический императив для трех ферментов для изменения стереохимической конфигурации одного углерода в галактозе». FASEB Journal . 10 (4): 461–70. doi : 10.1096/fasebj.10.4.8647345 . PMID  8647345. S2CID  13857006.
  3. ^ ab Schell MA, Wilson DB (май 1979). «Очистка мРНК галактокиназы из Saccharomyces cerevisiae методом непрямой иммунопреципитации». Журнал биологической химии . 254 (9): 3531–6. doi : 10.1016/S0021-9258(18)50793-6 . PMID  107173.
  4. ^ ab Sellick CA, Reece RJ (июнь 2006 г.). «Вклад боковых цепей аминокислот в специфичность связывания сахара в галактокиназе, Gal1p, и индукторе транскрипции, Gal3p». Журнал биологической химии . 281 (25): 17150–5. doi : 10.1074/jbc.M602086200 . PMID  16603548.
  5. ^ Хартли А., Глинн С.Э., Барынин В., Бейкер П.Дж., Седельникова С.Е., Верхис С., де Геус Д., ван дер Ост Дж., Тимсон DJ, Рис Р.Дж., Райс Д.В. (март 2004 г.). «Субстратная специфичность и механизм структуры галактокиназы Pyrococcus Furiosus». Журнал молекулярной биологии . 337 (2): 387–98. дои : 10.1016/j.jmb.2004.01.043. ПМИД  15003454.
  6. ^ Foglietti MJ, Percheron F (1976). "[Очистка и механизм действия растительной галактокиназы]". Biochimie . 58 (5): 499–504. doi :10.1016/s0300-9084(76)80218-0. PMID  182286.
  7. ^ Dey PM (октябрь 1983 г.). «Галактокиназа семян Vicia faba». European Journal of Biochemistry . 136 (1): 155–9. doi : 10.1111/j.1432-1033.1983.tb07720.x . PMID  6617655.
  8. ^ abcd Holden HM, Thoden JB, Timson DJ, Reece RJ (октябрь 2004 г.). «Галактокиназа: структура, функция и роль при галактоземии II типа». Cellular and Molecular Life Sciences . 61 (19–20): 2471–84. doi :10.1007/s00018-004-4160-6. PMID  15526155. S2CID  7293337.
  9. ^ abc Megarity CF, Huang M, Warnock C, Timson DJ (июнь 2011 г.). «Роль остатков активного центра в человеческой галактокиназе: последствия для механизмов GHMP-киназ». Биоорганическая химия . 39 (3): 120–6. doi :10.1016/j.bioorg.2011.03.001. PMID  21474160.
  10. ^ Tang M, Wierenga K, Elsas LJ, Lai K (декабрь 2010 г.). «Молекулярная и биохимическая характеристика человеческой галактокиназы и ее малых молекулярных ингибиторов». Химико-биологические взаимодействия . 188 (3): 376–85. Bibcode :2010CBI...188..376T. doi :10.1016/j.cbi.2010.07.025. PMC 2980576 . PMID  20696150. 
  11. ^ ab Thoden JB, Holden HM (август 2003 г.). «Молекулярная структура галактокиназы». Журнал биологической химии . 278 (35): 33305–11. doi : 10.1074/jbc.M304789200 . PMID  12796487.
  12. ^ Ян Дж., Фу X, Цзя Q, Шен Дж., Биггинс Дж.Б., Цзян Дж., Чжао Дж., Шмидт Дж.Дж., Ван П.Г., Торсон Дж.С. (июнь 2003 г.). «Исследование субстратной специфичности галактокиназы Escherichia coli». Органические письма . 5 (13): 2223–6. дои : 10.1021/ol034642d. ПМИД  12816414.
  13. ^ Timson DJ, Reece RJ (ноябрь 2003 г.). «Распознавание сахара человеческой галактокиназой». BMC Biochemistry . 4 : 16. doi : 10.1186/1471-2091-4-16 . PMC 280648. PMID  14596685 . 
  14. ^ Walker DG, Khan HH (июнь 1968). «Некоторые свойства галактокиназы в развивающейся печени крысы». The Biochemical Journal . 108 (2): 169–75. doi :10.1042/bj1080169. PMC 1198790. PMID  5665881 . 
  15. ^ Hoffmeister D, Yang J, Liu L, Thorson JS (ноябрь 2003 г.). «Создание первой аномерной D/L-сахарной киназы с помощью направленной эволюции». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (23): 13184–9. doi : 10.1073/pnas.2235011100 . PMC 263743. PMID  14612558 . 
  16. ^ Yang J, Fu X, Liao J, Liu L, Thorson JS (июнь 2005 г.). «Структурная инженерия галактокиназы E. coli как первый шаг к гликорандомизации in vivo». Химия и биология . 12 (6): 657–64. doi : 10.1016/j.chembiol.2005.04.009 . PMID  15975511.
  17. ^ Williams GJ, Gantt RW, Thorson JS (октябрь 2008 г.). «Влияние ферментной инженерии на гликодиверсификацию природных продуктов». Current Opinion in Chemical Biology . 12 (5): 556–64. doi :10.1016/j.cbpa.2008.07.013. PMC 4552347. PMID  18678278 . 
  18. ^ Langenhan JM, Griffith BR, Thorson JS (ноябрь 2005 г.). «Неогликорандомизация и хемоферментативная гликорандомизация: два дополнительных инструмента для диверсификации натуральных продуктов». Journal of Natural Products . 68 (11): 1696–711. doi :10.1021/np0502084. PMID  16309329.
  19. ^ Williams GJ, Yang J, Zhang C, Thorson JS (январь 2011 г.). «Рекомбинантные штаммы-прототипы E. coli для гликорандомизации in vivo». ACS Chemical Biology . 6 (1): 95–100. doi :10.1021/cb100267k. PMC 3025069 . PMID  20886903. 
  20. ^ Gantt RW, Peltier-Pain P, Thorson JS (октябрь 2011 г.). «Ферментативные методы глико(диверсификации/рандомизации) лекарств и малых молекул». Natural Product Reports . 28 (11): 1811–53. doi :10.1039/c1np00045d. PMID  21901218.
  21. ^ Holden HM, Rayment I, Thoden JB (ноябрь 2003 г.). «Структура и функция ферментов пути Лелуара для метаболизма галактозы». Журнал биологической химии . 278 (45): 43885–8. doi : 10.1074/jbc.R300025200 . PMID  12923184.
  22. ^ Timson DJ, Reece RJ (апрель 2003 г.). «Функциональный анализ мутаций, вызывающих заболевания, в человеческой галактокиназе». European Journal of Biochemistry . 270 (8): 1767–74. doi : 10.1046/j.1432-1033.2003.03538.x . PMID  12694189.

Внешние ссылки

  1. ^ Биби, Джейн А.; Фрей, Перри А. (1998-10-01). «Галактозомутаза: очистка, характеристика и исследования двух важных остатков гистидина». Биохимия . 37 (42): 14989–14997. doi :10.1021/bi9816047. ISSN  0006-2960.