Мультипликационная структура мономера галактокиназы 1 человека в комплексе с галактозой (красный) и аналогом АТФ (оранжевый). Ион магния виден в виде зеленой сферы.
Кристаллическая структура активного центра галактокиназы Lactococcus lactis[1]. Галактокиназа показана зелёным, 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 галактокиназы человека. (Из PDB1PIE)
Галактокиназа состоит из двух доменов, разделенных большой щелью. Эти две области известны как N- и С-концевые домены, а адениновое кольцо АТФ связывается в гидрофобном кармане, расположенном на их границе раздела. N-концевой домен отмечен пятью нитями смешанных бета-листов и пятью альфа-спиралями, а С-концевой домен характеризуется двумя слоями антипараллельных бета-листов и шестью альфа-спиралями[9]. Галактокиназа не принадлежит к семейству сахаркиназ, а скорее к классу АТФ-зависимых ферментов, известному как надсемейство GHMP[11]. GHMP — это аббревиатура, относящаяся к её первоначальным членам: галактокиназа, гомосеринкиназа, мевалонаткиназа и фосфомевалонаткиназа. Члены суперсемейства GHMP имеют большое трехмерное сходство, несмотря на идентичность последовательностей только на 10-20 %. Эти ферменты содержат три хорошо консервативных мотива (I, II и III), второй из которых участвует в связывании нуклеотидов и имеет последовательность Pro-XXX- Gly-Leu -X-Ser-Ser-Ala[1].
Галактокиназы у разных видов обнаруживают большое разнообразие субстратной специфичности. Галактокиназа E. coli может также 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 влияют на функцию фермента[12]. Галактокиназы как человека, так и крысы также способны успешно фосфорилировать 2-дезокси-D-галактозу[13][14]. С другой стороны, галактокиназа из S. cerevisiae высокоспецифична в отношении D-галактозы и не может фосфорилировать глюкозу, маннозу, арабинозу, фукозу, лактозу, галактит или 2-дезокси-D-галактозу[4][5]. Более того, кинетические свойства галактокиназы также различаются у разных видов[9]. Cпецифичность сахаров галактокиназ из разных источников была значительно расширена за счет направленной эволюции[15] и структурной белковой инженерии[16][17]. Соответствующие широко пермиссивные сахароаномерные киназы служат краеугольным камнем для гликорандомизации in vitro и in vivo[18][19][20].
Недавно стала понятной роль остатковактивного сайта в галактокиназе человека. Asp-186 отрывает протон от C1-OH α-D-галактозы, и образующийся алкоксид-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, а также было доказано, что он необходим для функции галактокиназы в экспериментах по точечной мутации[10]. Остатки аспарагиновой кислоты и аргинина в активном центре высококонсервативны среди галактокиназ[9].
Вероятный галактокиназный механизм[10]. Остаток аспартата стабилизируется в его анионной форме соседним остатком аргинина.
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. В пути Лелуара необходимы три фермента: галактокиназа, галактозо-1-фосфат уридилилтрансфераза и УДФ-галактозо-4-эпимераза. Галактокиназа катализирует первую стадию катаболизма галактозы, образуя галактозо-1-фосфат[3][21].
Галактоземия, редкое нарушение обмена веществ, характеризующееся снижением способности метаболизировать галактозу, может быть вызвана мутацией любого из трех ферментов пути Лелуара[3]. Дефицит галактокиназы, также известный как галактоземия II типа, представляет собой рецессивное нарушение обмена веществ, вызванное мутацией галактокиназы человека. Выявлено около 20 мутаций, вызывающих галактоземию II типа, основным симптомом которой является раннее начало катаракты. В клеткаххрусталика человеческого глаза альдозоредуктаза превращает галактозу в галактитол. Поскольку галактоза не катаболизируется до глюкозы из-за мутации галактокиназы накапливается галактитол. Этот градиент галактита через мембрану клеток хрусталика запускает осмотическое поглощение воды, что приводит к набуханию и возможному апоптозу клеток хрусталика[22].
↑“Substrate specificity and mechanism from the structure of Pyrococcus furiosus galactokinase”. Journal of Molecular Biology. 337 (2): 387—98. March 2004. DOI:10.1016/j.jmb.2004.01.043. PMID15003454.
↑“Creation of the first anomeric D/L-sugar kinase by means of directed evolution”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (23): 13184—9. November 2003. DOI:10.1073/pnas.2235011100. PMID14612558.
Информация в Викиданных 
