Struktura ljudskog galaktokinaznog 1 monomera u kompleksu sa galaktozom (crveno) i analognom ATP (narandžasto). Magnezijev ion je vidljiv kao zelena kugla. (Iz PDB1WUU 1WUU)
Galaktokinaza se sastoji od dva domena odvojena velikim rascjepom. Dvije regije su poznate kao N- i C-terminalni domeni, a adeninski prsten ATP-a veže se u hidrofobni džep na njihovoj površini. N-terminalni domen obilježava pet lanaca miješanih beta-listova i pet alfa-heliksa, a C-terminalni domen karakteriziraju dva sloja anti-paralelnih beta-listova i šest alfa-heliksa.[8] Galaktokinaza ne pripada porodici šećernihkinaza, već klasi ATP-zavisnih enzima poznatih kao superporodica GHMP.[10] GHMP je skraćenica koja se odnosi na svoje izvorne članove: galaktokinaza, homoserin-kinaza, mevalonat-kinaza i fosfomevalonat-kinaza. Članovi superporodice GHMP imaju veliku trodimenzijskuu sličnost, uprkos samo deset do 20% identiteta sekvence. Ovi enzimi sadrže tri dobro konzervirana motiva (I, II i III), od kojih je drugi uključen u vezanje nukleotida i ima sekvencu Pro – XXX – Gly – Leu – X – Ser – Ser – Ala.[11]
Galaktokinaze u različitim vrstama pokazuju veliku raznolikost specifičnosti supstrata. Galaktokinaza E. coli može također fosforilirati 2-dezoksi-D-galaktozu, 2-amino-dezoksi-D-galaktozu, 3-dezoksi-D-galaktozu i D-fukozu. Enzim ne može tolerirati nikakve modifikacije C-4, ali promjene na položaju C-2 D-galaktoze ne ometaju funkciju enzima.[12] I ljudske i pacovske galaktokinaze također uspešno fosforiliraju 2-deoksi-D-galaktozu.[13][14] Galaktokinaza iz S. cerevisiae , s druge strane, visoko je specifičan za D-galaktozu i ne može fosforilirati glukozu, manozu, arabinozu, fukozu, laktozu, galaktotol, ili 2-dezoksi-D-galaktozu.[3][4] Štaviše, kinetička svojstva galaktokinaze razlikuju se i među vrstama.[8] Specifičnost šećera galaktokinaza iz različitih izvora dramatično je proširena tokom usmjerene evolucije[15] i zasnovane na strukturi proteinskog inženjerstva.[16][17] Odgovarajuće široko permisivne anomerne šećerne kinaze služe kao temelj za in vitro i in vivo glikorandomizaciju.[18][19][20]
Vjerovatni mehanizam galaktokinaze.[9] Ostatak aspartata je u svom anionskom obliku stabiliziran obližnjim ostatkom arginina.Kristalna struktura aktivnog mjesta galaktokinaze iz Lactococcus lactis[11] Galaktokinaza je prikazana zelenom bojom, fosfat narandastom, a ostaci odgovorni za vezivanje šećernog liganda prikazani su u magenta: Arg-36 , Glu-42, Asp-45, Asp-183 i Tyr-233. Arg-36 i Asp-183 galaktokinaze Lactococcus lactis analogni su Arg-37 i Asp-186 u ljudskoj galaktokinazi. (Iz PDB1PIE 1PIE)
Leloirov put katalizira konverziju galaktoze u glukozu. Galaktoza se nalazi u mlečnim proizvodima, kao i u voću i povrću, a može se proizvesti endogeno pri razgradnji glikoproteina i glikolipida. U Leloirovom putu potrebna su tri enzima: galaktokinaza, galaktoza-1-fosfat uridililtransferaza i UDP-galaktoza 4-epimeraza. Galaktokinaza katalizira prvi počinjeni korak katabolizma galaktoze, formirajući galaktoza 1-fosfat.[2][21]
Galaktozemija, rijedak metabolički poremećaj koji karakterizira smanjena sposobnost metabolizma galaktoze, može biti uzrokovan mutacijom bilo kojeg od tri enzima u Leloirovom putu.[2]Nedostatak galaktokinaze, poznat i kao galaktozemija tip II, je recesivni metabolički poremećaj uzrokovan mutacijom u ljudskoj galaktokinazi. Otkriveno je oko 20 mutacija koje uzrokuju galaktozemiju tipa II, čiji je glavni simptom rani početak katarakta. U sočivnimćelijama čovekovog oka, aldoza-reduktaza pretvara galaktozu u galaktitol. Kako se galaktoza ne katabolizira u glukozu, zbog galaktokinazne mutacije, akumulira se galaktitol. Ovaj gradijent galaktitola preko ćelijske membrane sočiva pokreće osmotsko usvajanje vode i dolazi do otoka i eventualne apoptoze ćelija sočiva.[22]
^ abSchell MA, Wilson DB (maj 1979). "Purification of galactokinase mRNA from Saccharomyces cerevisiae by indirect immunoprecipitation". The Journal of Biological Chemistry. 254 (9): 3531–6. PMID107173.
^Hartley A, Glynn SE, Barynin V, Baker PJ, Sedelnikova SE, Verhees C, de Geus D, van der Oost J, Timson DJ, Reece RJ, Rice DW (mart 2004). "Substrate specificity and mechanism from the structure of Pyrococcus furiosus galactokinase". Journal of Molecular Biology. 337 (2): 387–98. doi:10.1016/j.jmb.2004.01.043. PMID15003454.
^Foglietti MJ, Percheron F (1976). "[Purification and mechanism of action of a plant galactokinase]". Biochimie. 58 (5): 499–504. doi:10.1016/s0300-9084(76)80218-0. PMID182286.
^ abcdHolden HM, Thoden JB, Timson DJ, Reece RJ (oktobar 2004). "Galactokinase: structure, function and role in type II galactosemia". Cellular and Molecular Life Sciences. 61 (19–20): 2471–84. doi:10.1007/s00018-004-4160-6. PMID15526155. S2CID7293337.
^ abcMegarity CF, Huang M, Warnock C, Timson DJ (juni 2011). "The role of the active site residues in human galactokinase: implications for the mechanisms of GHMP kinases". Bioorganic Chemistry. 39 (3): 120–6. doi:10.1016/j.bioorg.2011.03.001. PMID21474160.
