Dehydrogenaza jabłczanowa - Malate dehydrogenase
| Dehydrogenaza jabłczanowa | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Struktura białka z dołączonymi kofaktorami
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| Nr WE | 1.1.1.37 | ||||||||
| Nr CAS | 9001-64-3 | ||||||||
| Bazy danych | |||||||||
| IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
| ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
| MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
| PRIAM | profil | ||||||||
| Struktury WPB | RCSB PDB PDBe Suma PDB | ||||||||
| |||||||||
Dehydrogenazy jabłczanu ( EC 1.1.1.37 ) ( MDH ) jest enzymem , który w sposób odwracalny katalizuje się utlenianiu z jabłczanem do szczawiooctanu stosując redukcję NAD + do NADH. Ta reakcja jest częścią wielu szlaków metabolicznych , w tym cyklu kwasu cytrynowego . Inne dehydrogenazy jabłczanowe , które mają inne numery EC i katalizują inne reakcje utleniające jabłczan, mają kwalifikowane nazwy, takie jak dehydrogenaza jabłczanowa (NADP + ) .
Izozymy
Istnieje kilka izoenzymów dehydrogenazy jabłczanowej. W komórkach eukariotycznych istnieją dwie główne izoformy . Jeden znajduje się w macierzy mitochondrialnej, uczestnicząc jako kluczowy enzym w cyklu kwasu cytrynowego, który katalizuje utlenianie jabłczanu. Drugi znajduje się w cytoplazmie , wspomagając transporter jabłczanowo-asparaginowy w wymianie równoważników redukujących, dzięki czemu jabłczan może przejść przez błonę mitochondrialną i zostać przekształcony w szczawiooctan w celu dalszych procesów komórkowych.
Ludzie i większość innych ssaków wyrażają następujące dwie dehydrogenazy jabłczanowe:
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Rodziny białek
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Rodzina dehydrogenaz jabłczanowych obejmuje dehydrogenazę L- mleczanową i dehydrogenazy L-2- hydroksyizokapronianowe . Dehydrogenazy L-mleczanowe katalizują konwersję L-mleczanu do pirogronianu , ostatni etap glikolizy beztlenowej. N-koniec jest Rossmann NAD wiązania zginania a C-koniec jest niezwykłe alfa + beta-krotnie.
Ewolucja i struktura
W większości organizmów dehydrogenaza jabłczanowa (MDH) występuje jako cząsteczka homodimeryczna i jest blisko spokrewniona z dehydrogenazą mleczanową (LDH). Jest to duża cząsteczka białka z podjednostkami o masie od 30 do 35 kDa. W oparciu o sekwencje aminokwasowe wydaje się, że MDH rozdzieliło się na dwie główne grupy filogenetyczne, które bardzo przypominają izoenzymy mitochondrialne lub izoenzymy cytoplazmatyczne/chloroplastowe. Ponieważ identyczność sekwencji dehydrogenazy jabłczanowej w mitochondriach jest ściślej związana z jej prokariotycznymi przodkami w porównaniu z izoenzymem cytoplazmatycznym, prawdopodobna jest teoria, że mitochondria i chloroplasty powstały w wyniku endosymbiozy . Sekwencje aminokwasowe archeonów MDH są bardziej podobne do LDH niż MDH innych organizmów. Wskazuje to, że istnieje możliwe ewolucyjne powiązanie między dehydrogenazą mleczanową a dehydrogenazą jabłczanową.
Każda podjednostka dimeru dehydrogenazy jabłczanowej ma dwie odrębne domeny, które różnią się strukturą i funkcjonalnością. Równoległa struktura β-kartki tworzy domenę wiążącą NAD+, podczas gdy cztery β-kartki i jedna α-helisa stanowią centralne miejsce wiązania NAD + . Podjednostki są utrzymywane razem dzięki szeroko zakrojonym wiązaniom wodorowym i oddziaływaniom hydrofobowym.
Wykazano również, że dehydrogenaza jabłczanowa posiada ruchomy region pętli, który odgrywa kluczową rolę w aktywności katalitycznej enzymu. Badania wykazały, że zmiana konformacyjna tego regionu pętli z konformacji otwartej do konformacji zamkniętej po związaniu substratu nasila katalizę MDH poprzez osłanianie substratu i aminokwasów katalitycznych przed rozpuszczalnikiem. Badania wykazały również, że ten region pętli jest wysoce konserwowany w dehydrogenazie jabłczanowej.
Mechanizm
Miejscem aktywnym dehydrogenazy jabłczanowej jest hydrofobowa jama w kompleksie białkowym, w której znajdują się specyficzne miejsca wiązania substratu i jego koenzymu NAD + . W stanie aktywnym MDH przechodzi zmianę konformacyjną, która otacza substrat, aby zminimalizować ekspozycję na rozpuszczalnik i umieścić kluczowe reszty bliżej substratu. W szczególności trzy reszty, które zawierają triadę katalityczną, to histydyna (His-195), asparaginian (Asp-168), z których obie działają razem jako układ przenoszenia protonów, oraz argininy (Arg-102, Arg-109, Arg-171 ), które zabezpieczają podłoże.
Mechanicznie, dehydrogenaza jabłczanowa katalizuje utlenianie grupy hydroksylowej jabłczanu poprzez wykorzystanie NAD + jako akceptora elektronów. Ten etap utleniania powoduje eliminację protonu i jonu wodorkowego z podłoża. NAD + otrzymuje jon wodorkowy (w szczególności jon wodorkowy jest przenoszony do pierścienia nikotynamidowego NAD + ) i zostaje zredukowany do NADH, podczas gdy jednocześnie reszta His-195 enzymu przyjmuje proton. Dodatnio naładowana reszta His-195, która bierze udział w katalizie zasadowej substratu, jest stabilizowana przez sąsiednią, ujemnie naładowaną resztę Asp-168. Ta stabilizacja elektrostatyczna ułatwia przenoszenie protonu. Arg-102, Arg-109 i Arg-171 (które są protonowane, a zatem naładowane dodatnio) uczestniczą w katalizie elektrostatycznej i pomagają wiązać ujemnie naładowane karboksylany na podłożu. Dodatkowo, reszty argininy na enzymie zapewniają dodatkową specyficzność substratową i wiązanie poprzez wiązania wodorowe pomiędzy łańcuchem bocznym guanidyny reszt aminokwasowych argininy i karboksylanami substratu.
Badania zidentyfikowały również ruchomą pętlę w dehydrogenazie jabłczanowej, która uczestniczy w katalitycznej aktywności enzymu. Pętla przechodzi zmianę konformacyjną, aby osłaniać substrat i katalityczne aminokwasy przed rozpuszczalnikiem w odpowiedzi na wiązanie kompleksu dehydrogenaza jabłczanowa:koenzym z substratem. To odwrócenie pętli do pozycji górnej, aby zakryć miejsce aktywne, również sprzyja wzmocnionej interakcji ważnych katalitycznie reszt aminowych enzymu z substratem. Dodatkowo wykazano, że ruch pętli koreluje z etapem determinującym szybkość działania enzymu.
Funkcjonować
Reakcja
Dehydrogenazy jabłczanowe katalizują wzajemną konwersję jabłczanu do szczawiooctanu. W cyklu kwasu cytrynowego za katalizowanie regeneracji szczawiooctanu odpowiada dehydrogenaza jabłczanowa. Reakcja ta zachodzi poprzez utlenianie grupy hydroksylowej na jabłczanie i redukcję NAD + . Mechanizm przeniesienia jonu wodorkowego do NAD + przebiega podobnie jak w dehydrogenazie mleczanowej i dehydrogenazie alkoholowej. ΔG'° dehydrogenazy jabłczanowej wynosi +29,7 kJ/mol, a ΔG (w komórce) wynosi 0 kJ/mol.
Inne ścieżki
Dehydrogenaza jabłczanowa bierze również udział w glukoneogenezie , syntezie glukozy z mniejszych cząsteczek. Na pirogronian w mitochondriach oddziałuje karboksylaza pirogronianowa, tworząc szczawiooctan, związek pośredni cyklu kwasu cytrynowego . Aby usunąć szczawiooctan z mitochondriów, dehydrogenaza jabłczanowa redukuje go do jabłczanu, a następnie przechodzi przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. W cytozolu jabłczan jest utleniany z powrotem do szczawiooctanu przez dehydrogenazę jabłczanową cytozolu. Wreszcie karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa (PEPCK) przekształca szczawiooctan w fosfoenolopirogronian (PEP).
Kinetyka
Badania kinetyczne wykazują, że aktywność enzymatyczna dehydrogenazy jabłczanowej jest uporządkowana. Kofaktor NAD + /NADH wiąże się z enzymem przed substratem. Wartość Km dla jabłczanu, tj. stężenie, przy którym aktywność enzymu jest w połowie maksymalna, wynosi 2 mM. Wartość Kcat wynosi 259,2 s -1 .
Wpływ pH na aktywność katalityczną
Dodatkowo, poziomy pH kontrolują specyficzność wiązania substratu przez dehydrogenazę jabłczanową ze względu na transfer protonów w mechanizmie katalitycznym. Sugerowano, że ugrupowanie histydynowe o wartości pK 7,5 odgrywa rolę w zależności od pH enzymu. Badania wykazały, że wiązanie formy enolowej szczawiooctanu z kompleksem dehydrogenaza jabłczanowa:NADH tworzy się znacznie szybciej przy wyższych wartościach pH. Dodatkowo, wiązanie L-jabłczanu z dehydrogenazą jabłczanową jest promowane w warunkach alkalicznych. W konsekwencji, nieprotonowana dehydrogenaza jabłczanowa wiąże się preferencyjnie z L-jabłczanem i formą enolową szczawiooctanu. W przeciwieństwie do tego, stwierdzono, że D-jabłczan, hydroksymalonian i forma ketonowa szczawiooctanu wiążą się wyłącznie z protonowaną formą enzymu. W szczególności, gdy histydyna ulega protonowaniu, reszta His może tworzyć wiązanie wodorowe z tlenem karbonylowym substratu, co przesuwa gęstość elektronową z dala od tlenu i czyni ją bardziej podatną na atak nukleofilowy przez wodorki. Sprzyja to wiązaniu dehydrogenazy jabłczanowej z tymi substratami. W rezultacie, przy niższych wartościach pH dehydrogenaza jabłczanowa wiąże się preferencyjnie z D-jabłczanem, hydroksymaloninem i keto-szczawiooctanem.
Regulacja allosteryczna
Ponieważ dehydrogenaza jabłczanowa jest ściśle powiązana z cyklem kwasu cytrynowego, badania zaproponowały i eksperymentalnie wykazały, że cytrynian jest allosterycznym regulatorem dehydrogenazy jabłczanowej w zależności od stężenia L-jabłczanu i NAD + . Może to być spowodowane odchyleniami obserwowanymi w zachowaniu kinetycznym dehydrogenazy jabłczanowej przy wysokich stężeniach szczawiooctanu i L-jabłczanu. Eksperymenty wykazały, że cytrynian może zarówno aktywować allosterycznie, jak i hamować aktywność enzymatyczną dehydrogenazy jabłczanowej. Wykazano, że cytrynian hamuje utlenianie L-jabłczanu przy niskim poziomie L-jabłczanu i NAD + . Jednak w obecności wysokiego poziomu jabłczanu i NAD + cytrynian może stymulować produkcję szczawiooctanu. Chociaż dehydrogenaza jabłczanowa jest zwykle uważana za enzym odwracalny, uważa się, że na enzymie znajduje się allosteryczne miejsce regulatorowe, w którym cytrynian może wiązać się i napędzać równowagę reakcji w dowolnym kierunku.
Wykazano również, że glutaminian hamuje aktywność dehydrogenazy jabłczanowej. Ponadto wykazano, że dehydrogenaza alfa-ketoglutaranu może oddziaływać z mitochondrialną aminotransferazą asparaginianową, tworząc kompleks, który może następnie wiązać się z dehydrogenazą jabłczanową, tworząc trójskładnikowy kompleks, który odwraca działanie hamujące aktywność enzymatyczną dehydrogenazy jabłczanowej przez glutaminian. Dodatkowo tworzenie tego kompleksu umożliwia reakcję glutaminianu z aminotransferazą bez zakłócania aktywności dehydrogenazy jabłczanowej. Utworzenie tego trójskładnikowego kompleksu ułatwia również uwalnianie szczawiooctanu z dehydrogenazy jabłczanowej do aminotransferazy. Kinetycznie wykazano, że wiązanie dehydrogenazy jabłczanowej z binarnym kompleksem dehydrogenazy alfa-ketoglutaranu i aminotranferazy zwiększa szybkość reakcji dehydrogenazy jabłczanowej, ponieważ Km dehydrogenazy jabłczanowej zmniejsza się, gdy jest ona związana jako część tego kompleksu.
Interaktywna mapa ścieżek
Kliknij poniżej geny, białka i metabolity, aby połączyć się z odpowiednimi artykułami.
Bibliografia
Dalsza lektura
- Guha A, Englard S, Listowski I (luty 1968). „Dehydrogenazy jabłkowe z serca wołowego. VII. Reaktywność grup sulfhydrylowych i konformacja supernatantu enzymu” . Czasopismo Chemii Biologicznej . 243 (3): 609–15. doi : 10.1016/S0021-9258(18)93648-3 . PMID 5637713 .
- McReynolds MS, Kitto GB (luty 1970). „Oczyszczanie i właściwości dehydrogenaz jabłczanu Drosophila”. Biochimica i Biophysica Acta (BBA) - Enzymologia . 198 (2): 165–75. doi : 10.1016/0005-2744(70)90048-3 . PMID 4313528 .
- Wolfe RG, Neilands JB (lipiec 1956). „Niektóre właściwości molekularne i kinetyczne dehydrogenazy jabłkowej serca” . Czasopismo Chemii Biologicznej . 221 (1): 61–9. doi : 10.1016/S0021-9258(18)65228-7 . PMID 13345798 .
Zewnętrzne linki
- Jabłczan + dehydrogenaza w amerykańskiej National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
