Введение

Энзим галактокиназа – это фермент (фосфотрансфераза), который облегчает фосфорилирование α-D-галактозы до галактозо-1-фосфата за счет одной молекулы АТФ. Галактокиназа катализирует вторую стадию пути Лелуара – метаболического пути, обнаруженного у большинства организмов для катаболизма α-D-галактозы до глюкозо-1-фосфата у растений и у людей. GHMP – это аббревиатура, обозначающая его изначальные компоненты: галактокиназу, гомосеринкиназу, мевалонат-киназу и фосфомевалонат-киназу. Члены суперсемейства GHMP обладают значительным трехмерным сходством, несмотря на то, что идентичность последовательностей составляет всего 10–20%. Эти ферменты содержат три хорошо консервативных мотива (I, II и III), второй из которых участвует в связывании нуклеотидов и имеет последовательность Pro X X X Gly Leu X Ser Ser Ala.

Специфика сахара

Галактикиназы у разных видов демонстрируют большое разнообразие специфичности к субстратам. E. coli галактокиназа также способна фосфорилировать 2-дезокси-D-галактозу, 2-амино-2-дезокси-D-галактозу, 3-дезокси-D-галактозу и D-фукозу. Фермент не переносит модификации в положении C4, но изменения в положении C2 D-галактозы не влияют на функцию фермента. Галактокиназы человека и крысы также способны успешно фосфорилировать 2-дезокси-D-галактозу. Галактокиназа из S. cerevisiae, напротив, обладает высокой специфичностью к D-галактозе и не может фосфорилировать глюкозу, маннозу, арабинозу, фукозу, лактозу, галак титол или 2-дезокси-D-галактозу. Более того, кинетические свойства галактокиназы также различаются у разных видов, что важно для инженерии белков на основе структуры. Соответствующие широко пермиссивные киназы сахаров, реагирующие с аномерным центром, служат основой для гликорандомизации in vitro и in vivo.

Механизм

Недавно стало понятно, какую роль играют остатки активного центра в человеческой галактокиназе. Asp 186 отщепляет протон от C1 OH α-D-галактозы, и образовавшийся алкоксидный нуклеофил атакует γ-фосфор АТФ. Фосфатная группа переносится на сахар, а Asp 186 может быть депротонирован водой. Расположенный поблизости Arg 37 стабилизирует Asp 186 в анионной форме и, как было показано, необходим для функционирования галактокиназы, что подтверждено экспериментами с точечными мутациями. Как аспартат, так и аргинин в активном центре высоко консервативны среди галактокиназ.

Отношение к заболеванию

Галактоземия, редкое метаболическое расстройство, характеризующееся сниженной способностью метаболизировать галактозу, может быть вызвано мутацией в любом из трех ферментов пути Лелоара. Дефицит галактокиназы, также известный как галактоземия II типа, – это рецессивное метаболическое расстройство, вызванное мутацией в гене человеческой галактокиназы. Было выявлено около 20 мутаций, вызывающих галактоземию II типа, основным симптомом которой является катаракта, развивающаяся в раннем возрасте. В клетках хрусталика человеческого глаза альдозоредуктаза превращает галактозу в галактотол. Поскольку галактоза не расщепляется до глюкозы из-за мутации галактокиназы, галактотол накапливается. Этот градиент концентрации галактотола через мембрану клеток хрусталика вызывает осмотическое поступление воды, что приводит к отеку и последующему апоптозу клеток хрусталика.