GALK

ガラクトキナーゼは、ATP（アデノシン三リン酸）を消費して、α-D-ガラクトースをガラクトース1-リン酸にリン酸化する反応を促進する酵素です。β-D-ガラクトースをグルコース1-リン酸に変換するのは、レロワール経路を構成する4つの酵素の働きによって達成されます。ガラクトキナーゼはレロワール経路の第2段階、すなわちβ-D-ガラクトースをグルコース1-リン酸に分解する反応を触媒します。この代謝経路はほとんどの生物に見られます。ガラクトキナーゼは最初に哺乳類の肝臓から単離され、酵母、古細菌、植物、人間で広く研究されています。この酵素は重要な代謝的役割のため、研究の関心が高まっています。ガラクトキナーゼの欠損は、ガラクトース血症と呼ばれる病的状態を引き起こす可能性があります。さらに、ガラクトキナーゼ様の分子は、細胞内のガラクトース濃度のセンサーとして機能し、適切な条件下で転写調節因子として働くことができます。

構造

ガラクトキナーゼは、大きな裂け目で分かれた2つのドメインから構成されています。これらの2つの領域はN末端ドメインとC末端ドメインと呼ばれ、ATPのアデニン環はそれらの界面にある疎水性ポケットに結合します。N末端ドメインは、混合ベータシートの5本のストランドと5本のアルファヘリックスによって特徴付けられ、C末端ドメインは、逆平行ベータシートの2層と6本のアルファヘリックスによって示されます。ガラクトキナーゼは糖キナーゼファミリーのメンバーではなく、GHMPスーパーファミリーとして知られるATP依存性酵素の一種に属します。GHMPは、元のメンバーであるガラクトキナーゼ、ホモセリンキナーゼ、メバロン酸キナーゼ、リン酸メバロン酸キナーゼを含む略語です。GHMPスーパーファミリーのメンバーは、10〜20％の配列同一性しか持たないにもかかわらず、非常に高い三次元類似性を示し、ヌクレオチド結合に関与する第2の保存されたモチーフ（I、II、III）を含んでおり、その配列はPro-X-X-X-Gly-Leu-X-Ser-Ser-Alaです。

図1. Lactococcus lactisからのガラクトキナーゼ活性部位の結晶構造。

糖特異性

異なる種のガラクトキナーゼは、基質特異性の大きな多様性を示します。E. coli ガラクトキナーゼは、2-アミノ-デオキシ-D-ガラクトース、2-デオキシ-D-ガラクトース、3-デオキシ-D-ガラクトースおよびD-フコースのリン酸化を行うことができます。この酵素はC-4の修飾に対して耐性を示しませんが、D-ガラクトースのC-2位置での変化は酵素機能に影響を与えません。ヒトとラットのガラクトキナーゼは、2-デオキシ-D-ガラクトースをリン酸化する能力があります。一方、S. cerevisiaeのガラクトキナーゼはD-ガラクトースに対して非常に特異的であり、マンノース、グルコース、フコース、アラビノース、ラクトース、ガラクトリトール、または2-デオキシ-D-ガラクトースをリン酸化することはできません。さらに、ガラクトキナーゼの動力学的特性は種によっても異なります。異なる供給源からのガラクトキナーゼの糖特異性は、指向性進化と構造に基づくタンパク質工学を通じて劇的に拡大されました。対応する許容される糖アノメリックキナーゼは、in vitro およびin vivoのグリコランダム化の基礎となります。

メカニズム

ヒトガラクトキナーゼにおける活性部位残基の役割が最近明らかになりました。Asp-186は、α-D-ガラクトースのC-1位置にあるヒドロキシル基からプロトンを抽出し、その結果、アルコキシドヌクレオフィルがATPのγリン酸に攻撃します。リン酸基が糖に転送され、その後、Asp-186は水によって脱プロトン化される可能性があります。近くのArg-37は、Asp-186をその陰イオン形態で安定化させることができ、ガラクトキナーゼの機能に必要であることも証明されています。アスパラギン酸とアルギニンの活性部位残基は、ガラクトキナーゼの間で非常に保存されています。

生物学的機能

レロワール経路は、ガラクトースをグルコースに変換する反応を触媒します。乳製品、果物、野菜に広く存在するガラクトースは、糖タンパク質や糖脂質の分解によって内因的に生成されることがあります。ガラクトキナーゼ、ガラクトース-1-リン酸ウリジリルトランスフェラーゼ、およびUDP-ガラクトース4-エピメラーゼは、レロワール経路において不可欠な酵素です。ガラクトキナーゼは、ガラクトースの分解の最初のコミットされたステップを触媒し、ガラクトース1-リン酸を生成します。

病気の影響

ガラクトース血症は、ガラクトースを代謝する能力が低下することによって特定される稀な代謝障害であり、レロワール経路における酵素の変異によって引き起こされます。ガラクトキナーゼ欠損症は、ガラクトースをガラクトース-1-リン酸に変換する能力が低下するため、ガラクトースとガラクトリトールの蓄積を特徴とする常染色体劣性代謝障害です。この障害は、染色体17q24に位置するGALK1遺伝子の変異によって引き起こされます。ガラクトキナーゼ欠損症は、過剰ガラクトース血症を引き起こす可能性のある3つの先天性代謝異常の1つであり、常染色体劣性形質として遺伝します。古典的なガラクトース血症とは異なり、ガラクトキナーゼ欠損症は、早期の乳児期に深刻な症状を伴うことはありません。その主な臨床症状は、ガラクトリトールの蓄積によって引き起こされる、出生後数週間または数ヶ月の間に白内障が発生することです。これは、ガラクトース利用の代替経路の産物です。ガラクトキナーゼ欠損症のヘテロ接合体キャリアの乳製品消費への依存が、20〜50歳での前老年性白内障を引き起こす可能性があると示唆されています。

参考文献