Galactoquinasa

La galactocinasa (EC 2.7.1.6) es una enzima fosfotransferasa que cataliza la fosforilación de la D-galactosa a D-galactosa-1-fosfato utilizando ATP como donante del grupo fosfato.^[3]​

Galactocinasa 1^[1]​
Figura 1. Modelo de cintas de un monómero de la galactocinasa 1 humana unida a la galactosa (en rojo) y a un análogo del ATP (en naranja). La esfera verde representa un ion de magnesio.
Estructuras disponibles
PDB	Buscar ortólogos: PDBe, RCSB  Estructuras enzimáticas RCSB PDB, PDBe, PDBsum
Identificadores
Nomenclatura	Otros nombres Galactosa cinasa
Símbolo	GALK1 (HGNC: 4118)
Identificadores externos	OMIM: 604313 EBI: GALK1 GeneCards: Gen GALK1 UniProt: GALK1  Bases de datos de enzimas IntEnz: entrada en IntEnz BRENDA: entrada en BRENDA ExPASy: NiceZime view KEGG: entrada en KEEG PRIAM: perfil PRIAM ExplorEnz: entrada en ExplorEnz MetaCyc: vía metabólica
Número EC	2.7.1.6
Locus	Cr. 17 q23-q25
Ontología génica Referencias: AmiGO / QuickGO
Estructura/Función proteica
Tamaño	392 (aminoácidos)
Ortólogos
Especies	Humano Ratón
Entrez	2584
UniProt	P51570 n/a
RefSeq (ARNm)	NM_000154 n/a
PubMed (Búsqueda)	[1]
PMC (Búsqueda)	[2]
v t e
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N-acetilgalactosamina cinasa^[2]​
Estructuras disponibles
PDB	Buscar ortólogos: PDBe, RCSB
Identificadores
Nomenclatura	Otros nombres Galactosa cinasa 2
Símbolo	GALK2 (HGNC: 4119)
Identificadores externos	OMIM: 137028 EBI: GALK2 GeneCards: Gen GALK2 UniProt: GALK2
Locus	Cr. 15 [3]
Ontología génica Referencias: AmiGO / QuickGO
Estructura/Función proteica
Tamaño	458 (aminoácidos)
Ortólogos
Especies	Humano Ratón
Entrez	2585
UniProt	Q01415 n/a
RefSeq (ARNm)	NM_002044 n/a
v t e
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D-galactosa + ATP ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ α-D-galactosa-1-fosfato + ADP

La galactocinasa cataliza la primera etapa de la ruta de Leloir, una ruta metabólica encontrada en muchos organismos para el catabolismo de la β-D-galactosa a glucosa-1-fosfato.^[4]​ La galactocinasa que fue aislada por primera vez del hígado de mamíferos, ha sido estudiada extensivamente en las levaduras,^[5]​^[6]​ arqueas,^[7]​ plantas^[8]​^[9]​ y humanos.^[10]​^[11]​

Isozimas

En el ser humano existen dos genes que codifican galactocinasas.

• El gen GALK1 codifica la galactocinasa 1.

• El gen GALK2 codifica la N-acetilgalactosamina cinasa. Esta enzima actúa como una galactocinasa cuando la galactosa está presente en altas concentraciones. De hecho se la conoce también como galactocinasa 2.^[12]​

Estructura

 

Figura 2. Estructura cristalina del sitio activo de la galactocinasa del Lactococcus lactis.^[13]​ La galactosa se muestra en verde, el fosfato en naranja y los residuos responsables de la unión del azúcar a la enzina en magenta: Arg-36, Glu-42, Asp-45, Asp-183 y Tyr-233. Arg-36 y Asp-183 de la galactocinasa del Lactococcus lactis son análogos a los residuos Arg-37 y Asp-186 de la galactocinasa humana.(From PDB 1PIE )

La galactocinasa está compuesta por dos dominios separados por un gran hueco. Las dos regiones son conocidas como los dominios N- y C-terminal. El anillo adenina del ATP se une en un agujero hidrofóbico localizado en la interfaz entre los dos dominios. El dominio N-terminal está compuesto por 5 filamentos formados de láminas beta y 5 hélices alfa. El dominio C-terminal está caracterizado por dos capas de láminas beta antiparalelas y 6 hélices alfa.^[10]​ La galactocinasa no pertenece a la familia de las cinasas que actúan sobre carbohidratos, pero sí a la superfamilia de enzimas dependientes del ATP conocida como superfamilia GHMP cinasas.^[14]​ GHMP es una abreviatura referente a los miembros originales de la familia: galactocinasa, homoserina cinasa, mevalonato cinasa y fosfomevalonato cinasa. Los miembros pertenecientes a la superfamilia GHMP tienen una gran similitud en su estructura tridimensional aunque solamente comparten entre un 10% y un 20% de su secuencia. Estas enzimas contienen tres motivos bien conservados (I, II y III), el segundo participa en la unión del nucleótido y tiene la secuencia Pro-X-X-X-Gly-Leu-X-Ser-Ser-Ala.^[13]​

Especificidad

En diferentes especies, las galactocinasas presentan una gran variedad de especificidad de sustrato.

• La galactocinasa de la Escherichia coli puede fosforilar 2-deoxi-D-galactosa, 2-amino-deoxi-D-galactosa, 3-deoxi-D-galactosa y fucosa. La enzima no puede tolerar ninguna modificación en el carbono 4 (C-4) de la galactosa, pero los cambios en el C-2 no interfieren con la función de la enzima.^[15]​

• Las galactocinasas de los humanos y ratas también son capaces de fosforilar la 2-deoxi-D-galactosa.^[16]​^[17]​

• Contrariamente la galactocinasa de la Saccharomyces cerevisiae es altamente específica por la D-galactosa y no puede fosforilar glucosa, manosa, arabinosa, fucosa, lactosa, galactitol o 2-deoxi-D-galactosa.^[5]​^[6]​

Por otra parte, las propiedades cinéticas de la galactocinasa también difieren en las diferentes especies.^[10]​

Mecanismo

Recientemente se han aclarado los roles de los aminoácidos del sitio activo de la galactocinasa humana. El Asp-186 extrae un protón del C1-OH de la α-D-galactosa y el alcóxido nucleófilo resultante ataca el γ-fosfato del ATP. Un grupo fosfato es transferido al azúcar y el Asp-186 es deprotonado por agua. El residuo cercano Arg-37 estabiliza a Asp-186 en su forma aniónica y se ha probado que es esencial para la función de la galactocinasa mediante experimentos de mutaciones puntuales.^[11]​ Los residuos Asp y Arg del sitio activo están altamente conservado en las galactocinasas.^[10]​

 

Figura 3. Mecanismo de la galactocinasa.^[11]​ El residuo aspartato es estabilizado en su forma aniónica por un residuo arginina cercano.

Función biológica

La ruta de Leloir cataliza la conversión de galactosa en glucosa. La galactosa se encuentra en los productos lácteos, frutas y vegetales, y puede ser producida de forma endógena por la rotura de las glicoproteínas y glicolípidos. En la ruta de Leloir participan tres enzimas: galactocinasa, galactosa-1-fosfato uridiltransferasa y UDP-galactosa 4-epimerasa. La galactocinasa cataliza la primera etapa del metabolismo de la galactosa formando galactosa-1-fosfato.^[4]​^[18]​

 

Figura 4. Ruta de Leloir. Metabolitos: (1) galactosa, (2) galactosa-1-fosfato, (3) UDP-glucosa, (4) UDP-galactosa, (5) glucosa-1-fostato, (6) glucosa-6-fosfato. Enzimas: (GK) galactocinasa, (GALT) galactosa-1-fosfato uridiltransferasa, (UDE) UDP-galactosa 4-epimerasa, (PGM) fosfoglucomutasa.

Relevancia clínica

La galactosemia es un desorden metabólico raro caracterizado por la capacidad reducida de metabolizar galactosa y puede ser producido por una mutación en cualquiera de las tres enzimas de la ruta de Leloir.^[4]​ La deficiencia en galactocinasa, también conocida como galactosemia tipo II, es un desorden metabólico recesivo causado por una mutación en la galactocinasa humana. Alrededor de unas 20 mutaciones que causan galactosemia tipo II han sido identificadas. El principal síntoma es la aparición de cataratas a una edad temprana. En las células del cristalino del ojo humano, la aldehído reductasa convierte galactosa a galactitol. Como la galactosa no es catabolizada a glucosa debido a una mutación en la galactocinasa, el galactitol se acumula. El gradiente de galactitol a través de la membrana de las células del cristalino provoca que entre agua en las células provocando que se hinchen y una eventual apoptosis de las células.^[19]​ El tratamiento más efectivo para la galactosemia es eliminar la lactosa de la dieta.

Enlaces externos

• MeSH Descriptor Data

Referencias

1. . Archivado desde el original el 20 de mayo de 2011. Consultado el 20 de noviembre de 2011. 
2. . Archivado desde el original el 20 de mayo de 2011. Consultado el 20 de noviembre de 2011. 
3. «ENZYME entry: EC 2.7.1.6». Consultado el 20 de noviembre de 2011. 
4. Frey PA, PA (Mar de 1996). «The Leloir pathway: a mechanistic imperative for three enzymes to change the stereochemical configuration of a single carbon in galactose». FASEB J 10 (4): 461-70. PMID 8647345. 
5. Schell MA, Wilson DB, MA; Wilson, DB (mayo de 1979). «Purification of galactokinase mRNA from Saccharomyces cerevisiae by indirect immunoprecipitation». J Biol Chem 254 (9): 3531-6. PMID 107173. 
6. Sellick CA, Reece RJ, C. A.; Reece, RJ (Jun de 2006). «Contribution of Amino Acid Side Chains to Sugar Binding Specificity in a Galactokinase, Gal1p, and a TranscriptionalInducer, Gal3p». J Biol Chem 281 (25): 17150-5. PMID 16603548. doi:10.1074/jbc.M602086200. 
7. Hartley A, Glynn SE, Barynin V, Baker PJ, et al, Andrew; Glynn, Steven E.; Barynin, Vladimir; Baker, Patrick J.; Sedelnikova, Svetlana E.; Verhees, Corné; De Geus, Daniel; Van Der Oost, John et al. (Mar de 2004). «Substrate specificity and mechanism from the structure of Pyrococcus furiosus galactokinase». J Mol Biol 337 (2): 387-98. PMID 15003454. doi:10.1016/j.jmb.2004.01.043.  Se sugiere usar |número-autores= (ayuda)
8. Foglietti MJ, Percheron F, MJ; Percheron, F (1976). «Purification and mechanism of action of a plant galactokinase». Biochimie 58 (5): 499-504. PMID 182286. 
9. Dey PM, PM (Oct de 1983). «Galactokinase of Vicia faba seeds». Eur J Biochem 136 (1): 155-9. PMID 6617655. doi:10.1111/j.1432-1033.1983.tb07720.x. 
10. Holden HM, Thoden JB, Timson DJ, Reece RJ, H. M.; Thoden, J. B.; Timson, D. J.; Reece, R. J. (Oct de 2004). «Galactokinase: structure, function and role in type II galactosemia». Cell Mol Life Sci 61 (19–20): 2471-84. PMID 15526155. doi:10.1007/s00018-004-4160-6. 
11. Megarity CF, Huang M, Warnock C, Timson DJ, Clare F.; Huang, Meilan; Warnock, Claire; Timson, David J. (Mar de 2011). «The role of the active site residues in human galactokinase: Implications for the mechanisms of GHMP kinases». Cell Mol Life Sci 39 (3): 120-126. doi:10.1016/j.bioorg.2011.03.001. 
12. «N-acetylgalactosamine kinase». Consultado el 20 de noviembre de 2011. 
13. Thoden JB, Holden HM, J. B.; Holden, HM (Aug de 2003). «Molecular structure of galactokinase». J Biol Chem 278 (35): 33305-11. PMID 12796487. doi:10.1074/jbc.M304789200. 
14. Tang M, Wierenga K, Elsas LJ, Lai K, M.; Wierenga, K.; Elsas, L.J.; Lai, K. (Dec de 2010). «Molecular and biochemical characterization of human galactokinase and its small molecule inhibitors». Chem Biol Interact 188 (3): 376-85. PMC 2980576. PMID 20696150. doi:10.1016/j.cbi.2010.07.025. 
15. Yang J, Fu X, Jia Q, Shen J, et al, Jie; Fu, Xun; Jia, Qiang; Shen, Jie; Biggins, John B.; Jiang, Jiqing; Zhao, Jingjing; Schmidt, Joshua J. et al. (Jun de 2003). «Studies on the substrate specificity of Escherichia coli galactokinase». Org Lett 5 (13): 2223-6. PMID 12816414. doi:10.1021/ol034642d.  Se sugiere usar |número-autores= (ayuda)
16. Timson DJ, Reece RJ, David J; Reece, Richard J (Nov de 2003). «Sugar recognition by human galactokinase». BMC Biochem 4: 16. PMC 280648. PMID 14596685. doi:10.1186/1471-2091-4-16. 
17. Walker DG, Khan HH, DG; Khan, HH (Jun de 1968). «Some properties of galactokinase in developing rat liver». Biochem J 108 (2): 169-75. PMC 1198790. PMID 5665881. 
18. Holden HM, Rayment I, Thoden JB, H. M.; Rayment, I; Thoden, JB (Nov de 2003). «Structure and function of enzymes of the Leloir pathway for galactose metabolism». J Biol Chem 278 (45): 43885-8. PMID 12923184. doi:10.1074/jbc.R300025200. 
19. Timson DJ, Reece RJ, David J.; Reece, Richard J. (Apr de 2003). «Functional analysis of disease-causing mutations in human galactokinase». Eur J Biochem 270 (8): 1767-74. PMID 12694189. doi:10.1046/j.1432-1033.2003.03538.x. 

•   Datos: Q24768242