Малатдегидрогеназа
| Малатдегидрогеназа | |||
|---|---|---|---|
 Структура белка с прикрепленными кофакторами | |||
| Идентификаторы | |||
| Номер ЕС. | 1.1.1.37 | ||
| Номер CAS. | 9001-64-3 | ||
| Базы данных | |||
| ИнтЭнк | вид IntEnz | ||
| БРЕНДА | БРЕНДА запись | ||
| Экспаси | Просмотр NiceZyme | ||
| КЕГГ | КЕГГ запись | ||
| МетаЦик | метаболический путь | ||
| ПРЯМОЙ | профиль | ||
| PDB Структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||
| |||
Малатдегидрогеназа ( EC 1.1.1.37 ) ( МДГ ) — , обратимо катализирующий малата окисление до фермент оксалоацетата с помощью восстановления НАД. + к НАДХ. Эта реакция является частью многих метаболических путей , включая цикл лимонной кислоты . Другие малатдегидрогеназы , которые имеют другие номера ЕС и катализируют другие реакции, окисляющие малат, имеют квалифицированные названия, такие как малатдегидрогеназа (НАДФ). + ) .
изоферменты
[ редактировать ]Существует несколько изоферментов малатдегидрогеназы. существуют две основные изоформы . В эукариотических клетках [1] Один из них находится в митохондриальном матриксе и участвует в качестве ключевого фермента в цикле лимонной кислоты, который катализирует окисление малата. Другой находится в цитоплазме , помогая малатно-аспартатному челноку обменивать восстанавливающие эквиваленты, так что малат может проходить через митохондриальную мембрану и трансформироваться в оксалоацетат для дальнейших клеточных процессов. [2]
Люди и большинство других млекопитающих экспрессируют следующие две малатдегидрогеназы:
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Белковые семейства
[ редактировать ]
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Семейство малатдегидрогеназ включает L-лактатдегидрогеназу и L-2-гидроксиизокапроатдегидрогеназы . L-лактатдегидрогеназы катализируют превращение L-лактата в пируват , последнюю стадию анаэробного гликолиза. N -конец представляет собой складку, связывающую НАД Россмана, а С-конец представляет собой необычную альфа+бета-складку. [3] [4]
Эволюция и структура
[ редактировать ]У большинства организмов малатдегидрогеназа (МДГ) существует в виде гомодимерной молекулы и по структуре тесно связана с лактатдегидрогеназой (ЛДГ). Это большая белковая молекула с субъединицами массой от 30 до 35 кДа. [5] Судя по аминокислотным последовательностям, кажется, что MDH разделился на две основные филогенетические группы, которые очень похожи либо на митохондриальные изоферменты, либо на цитоплазматические/хлоропластные изоферменты. [6] Поскольку идентичность последовательности малатдегидрогеназы в митохондриях более тесно связана с ее прокариотическими предками по сравнению с цитоплазматическим изозимом, теория о том, что митохондрии и хлоропласты развились посредством эндосимбиоза, вполне правдоподобна. [7] Аминокислотные последовательности архейного МДГ более сходны с последовательностями ЛДГ, чем с МДГ других организмов. Это указывает на возможную эволюционную связь между лактатдегидрогеназой и малатдегидрогеназой. [8]
Каждая субъединица димера малатдегидрогеназы имеет два отдельных домена, которые различаются по структуре и функциональности. Параллельная структура β-листа образует домен связывания НАД+, тогда как четыре β-листа и одна α-спираль составляют центральный НАД. + сайт связывания. Субъединицы удерживаются вместе посредством обширных водородных связей и гидрофобных взаимодействий. [9]
Также было показано, что малатдегидрогеназа имеет область мобильной петли, которая играет решающую роль в каталитической активности фермента. Исследования показали, что конформационное изменение этой области петли с открытой конформации на закрытую после связывания субстрата усиливает катализ МДГ за счет экранирования субстрата и каталитических аминокислот от растворителя. Исследования также показали, что эта область петли высококонсервативна в малатдегидрогеназе. [6]
Механизм
[ редактировать ]
Активный центр малатдегидрогеназы представляет собой гидрофобную полость внутри белкового комплекса, имеющую специфические сайты связывания субстрата и его кофермента НАД. + . В активном состоянии MDH претерпевает конформационные изменения, которые окружают субстрат, чтобы минимизировать воздействие растворителя и расположить ключевые остатки ближе к субстрату. [6] Три остатка, в частности, составляют каталитическую триаду: гистидин (His-195), аспартат (Asp-168), оба из которых работают вместе как система переноса протона, и аргинины (Arg-102, Arg-109, Arg-171). ), которые закрепляют подложку. [10]
Механически малатдегидрогеназа катализирует окисление гидроксильной группы малата путем использования НАД. + как акцептор электронов. Эта стадия окисления приводит к удалению протона и гидрид-иона из подложки. НАД + получает гидрид-ион (в частности, гидрид-ион переносится на никотинамидное кольцо НАД + ) и восстанавливается до НАДН, в то время как остаток His-195 на ферменте принимает протон. [11] Положительно заряженный остаток His-195, который участвует в основном катализе субстрата, стабилизируется соседним отрицательно заряженным остатком Asp-168. Эта электростатическая стабилизация помогает облегчить перенос протона. [1] Arg-102, Arg-109 и Arg-171 (которые протонированы и, следовательно, положительно заряжены) участвуют в электростатическом катализе и помогают связывать отрицательно заряженные карбоксилаты на субстрате. Кроме того, остатки аргинина на ферменте обеспечивают дополнительную специфичность субстрата и связывание посредством водородных связей между гуанидиновой боковой цепью аминокислотных остатков аргинина и карбоксилатами субстрата. [12]
Исследования также выявили подвижную петлю малатдегидрогеназы, которая участвует в каталитической активности фермента. Петля претерпевает конформационные изменения, чтобы защитить субстрат и каталитические аминокислоты от растворителя в ответ на связывание комплекса малатдегидрогеназа: кофермент с субстратом. Этот переворот петли в верхнее положение для закрытия активного центра также способствует усилению взаимодействия каталитически важных аминокислотных остатков фермента с субстратом. Кроме того, было показано, что движение петли коррелирует со стадией определения скорости фермента. [13]
Функция
[ редактировать ]Реакция
[ редактировать ]
Малатдегидрогеназы катализируют взаимное превращение малата в оксалоацетат. В цикле лимонной кислоты малатдегидрогеназа катализирует регенерацию оксалоацетата. Эта реакция происходит посредством окисления гидроксильной группы малата и восстановления НАД. + . Механизм переноса гидрид-иона на НАД + осуществляется по аналогичному механизму, наблюдаемому в лактатдегидрогеназе и алкогольдегидрогеназе. ΔG'° малатдегидрогеназы составляет +29,7 кДж/моль, а ΔG (в клетке) составляет 0 кДж/моль. [11]
Другие пути
[ редактировать ]Малатдегидрогеназа также участвует в глюконеогенезе — синтезе глюкозы из более мелких молекул. Пируват в митохондриях подвергается воздействию пируваткарбоксилазы с образованием оксалоацетата, промежуточного продукта цикла лимонной кислоты . Чтобы вывести оксалоацетат из митохондрий, малатдегидрогеназа восстанавливает его до малата, а затем он проникает через внутреннюю митохондриальную мембрану. Попадая в цитозоль, малат окисляется обратно до оксалоацетата цитозольной малатдегидрогеназой. Наконец, фосфоенолпируваткарбоксикиназа (PEPCK) превращает оксалоацетат в фосфоенолпируват (PEP). [14]
Кинетика
[ редактировать ]Кинетические исследования показывают, что ферментативная активность малатдегидрогеназы упорядочена. Кофактор НАД + /НАДН связывается с ферментом раньше субстрата. [15] Величина Km для малата, т. е. концентрация, при которой активность фермента полумаксимальна, равна 2 мМ. Значение Kcat составляет 259,2 с. −1 . [16]
Влияние pH на каталитическую активность
[ редактировать ]Кроме того, уровни pH контролируют специфичность связывания субстрата малатдегидрогеназой за счет переноса протона по каталитическому механизму. [17] Было высказано предположение, что гистидиновый фрагмент со значением pK 7,5 играет роль в зависимости фермента от pH. Исследования показали, что связывание енольной формы оксалоацетата с комплексом малатдегидрогеназа:НАДН образуется гораздо быстрее при более высоких значениях pH. [12] Кроме того, связывание L-малата с малатдегидрогеназой усиливается в щелочных условиях. Следовательно, непротонированная форма малатдегидрогеназы предпочтительно связывается с L-малатом и енольной формой оксалоацетата. Напротив, было обнаружено, что D-малат, гидроксималонат и кето-форма оксалоацетата связываются исключительно с протонированной формой фермента. В частности, когда гистидин протонируется, остаток His может образовывать водородную связь с карбонильным кислородом субстрата, что смещает электронную плотность от кислорода и делает его более восприимчивым к нуклеофильной атаке гидрида. Это способствует связыванию малатдегидрогеназы с этими субстратами. В результате при более низких значениях pH малатдегидрогеназа преимущественно связывается с D-малатом, гидроксималонатом и кетооксалоацетатом. [18]
Аллостерическая регуляция
[ редактировать ]Поскольку малатдегидрогеназа тесно связана с циклом лимонной кислоты, исследования предположили и экспериментально продемонстрировали, что цитрат является аллостерическим регулятором малатдегидрогеназы в зависимости от концентраций L-малата и НАД. + . Это может быть связано с отклонениями, наблюдаемыми в кинетическом поведении малатдегидрогеназы при высоких концентрациях оксалоацетата и L-малата. Эксперименты показали, что цитрат может как аллостерически активировать, так и ингибировать ферментативную активность малатдегидрогеназы. Было показано, что цитрат ингибирует окисление L-малата при низких уровнях L-малата и НАД. + . Однако при наличии высоких уровней малата и НАД + , цитрат может стимулировать выработку оксалоацетата. Хотя малатдегидрогеназа обычно считается обратимым ферментом, считается, что на ферменте существует аллостерический регуляторный участок, с которым цитрат может связываться и наводить равновесие реакции в любом направлении. [19]
Также было показано, что глутамат ингибирует активность малатдегидрогеназы. Кроме того, было показано, что альфа-кетоглутаратдегидрогеназа может взаимодействовать с митохондриальной аспартатаминотрансферазой с образованием комплекса, который затем может связываться с малатдегидрогеназой, образуя тройной комплекс, который обращает ингибирующее действие глутамата на ферментативную активность малатдегидрогеназы. Кроме того, образование этого комплекса позволяет глутамату взаимодействовать с аминотрансферазой, не мешая активности малатдегидрогеназы. Образование этого тройного комплекса также облегчает высвобождение оксалоацетата из малатдегидрогеназы в аминотрансферазу. Было показано, что кинетически связывание малатдегидрогеназы с бинарным комплексом альфа-кетоглутаратдегидрогеназы и аминотрансферазы увеличивает скорость реакции малатдегидрогеназы, поскольку Km малатдегидрогеназы снижается, когда она связывается как часть этого комплекса. [20]
Интерактивная карта маршрутов
[ редактировать ]Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям. [§ 1]
- ^ Интерактивную карту маршрутов можно редактировать на WikiPathways: «Гликолиз-Глюконеогенез_WP534» .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Минарик П., Томашкова Н., Колларова М., Анталик М. (сентябрь 2002 г.). «Малатдегидрогеназы - структура и функции». Общая физиология и биофизика . 21 (3): 257–65. ПМИД 12537350 .
- ^ Мусрати Р.А., Колларова М., Мерник Н., Микуласова Д. (сентябрь 1998 г.). «Малатдегидрогеназа: распространение, функции и свойства». Общая физиология и биофизика . 17 (3): 193–210. ПМИД 9834842 .
- ^ Чепмен А.Д., Кортес А., Даффорн Т.Р., Кларк А.Р., Брэди Р.Л. (январь 1999 г.). «Структурные основы субстратной специфичности малатдегидрогеназ: кристаллическая структура тройного комплекса цитоплазматической малатдегидрогеназы свиньи, альфа-кетомалоната и тетрагидроНАД» . Журнал молекулярной биологии . 285 (2): 703–12. дои : 10.1006/jmbi.1998.2357 . ПМИД 10075524 .
- ^ Мадерн Д. (июнь 2002 г.). «Молекулярная эволюция суперсемейства L-малат и L-лактатдегидрогеназы» . Журнал молекулярной эволюции . 54 (6): 825–40. Бибкод : 2002JMolE..54..825M . дои : 10.1007/s00239-001-0088-8 . ПМИД 12029364 . S2CID 469660 .
- ^ Банасзак Л.Дж., Брэдшоу Р.А. (1975). «Малатдегидрогеназа». В Бойере П.Д. (ред.). Ферменты . Том. 11 (3-е изд.). Нью-Йорк: Академическая пресса. стр. 369–396.
- ^ Jump up to: а б с Говард CR, DJ Николлс (октябрь 1994 г.). «Малатдегидрогеназа: модель структуры, эволюции и катализа» . Белковая наука . 3 (10): 1883–8. дои : 10.1002/pro.5560031027 . ПМК 2142602 . ПМИД 7849603 .
- ^ Макалистер-Хенн Л. (май 1988 г.). «Эволюционные взаимоотношения малатдегидрогеназ». Тенденции биохимических наук . 13 (5): 178–81. дои : 10.1016/0968-0004(88)90146-6 . ПМИД 3076279 .
- ^ Сендрин Ф., Хробочек Дж., Заккай Г., Айзенберг Х., Меварех М. (апрель 1993 г.). «Клонирование, секвенирование и экспрессия в Escherichia coli гена, кодирующего малатдегидрогеназу чрезвычайно галофильной архебактерии Haloarcula marismortui». Биохимия . 32 (16): 4308–13. дои : 10.1021/bi00067a020 . PMID 8476859 .
- ^ Холл, доктор медицинских наук, Левитт Д.Г., Банасзак Л.Дж. (август 1992 г.). «Кристаллическая структура малатдегидрогеназы Escherichia coli. Комплекс апофермента и цитрата при разрешении 1,87 А». Журнал молекулярной биологии . 226 (3): 867–82. дои : 10.1016/0022-2836(92)90637-Y . ПМИД 1507230 .
- ^ Ламзин В.С., Даутер З., Уилсон К.С. (май 1994 г.). «Дегидрирование в зазеркалье». Структурная биология природы . 1 (5): 281–2. дои : 10.1038/nsb0594-281 . ПМИД 7664032 . S2CID 26167967 .
- ^ Jump up to: а б Воет Д., Воет Дж.Г., Пратт К.В. (2015). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. стр. 574–5. ISBN 978-0-470-54784-7 .
- ^ Jump up to: а б Бернштейн Л.Х., Эверс Дж. (декабрь 1978 г.). «Исследования механизма малатдегидрогеназной реакции» (PDF) . Журнал биологической химии . 253 (24): 8702–7. дои : 10.1016/S0021-9258(17)34234-5 . ПМИД 31361 .
- ^ Уолдман А.Д., Харт К.В., Кларк А.Р., Вигли Д.Б., Барстоу Д.А., Аткинсон Т., Чиа В.Н., Холбрук Дж.Дж. (январь 1988 г.). «Использование генно-инженерного триптофана для идентификации движения домена лактатдегидрогеназы B. stearothermophilus с помощью процесса, который ограничивает устойчивый оборот фермента». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 150 (2): 752–9. дои : 10.1016/0006-291X(88)90455-X . ПМИД 3422557 .
- ^ Хунг Г.К., Браун Ч.Р., Вульф А.Б., Лю Дж., Чан Х.Л. (ноябрь 2004 г.). «Деградация глюконеогенных ферментов фруктозо-1,6-бисфосфатазы и малатдегидрогеназы опосредуется различными протеолитическими путями и сигнальными событиями» . Журнал биологической химии . 279 (47): 49138–50. дои : 10.1074/jbc.M404544200 . ПМИД 15358789 .
- ^ Показывает ТБ, Чепмена В.М., Раддла Ф.Х. (декабрь 1970 г.). «Митохондриальная малатдегидрогеназа и яблочный фермент: менделевские унаследованные электрофоретические варианты у мышей». Биохимическая генетика . 4 (6): 707–18. дои : 10.1007/BF00486384 . ПМИД 5496232 . S2CID 35435579 .
- ^ Вуд, округ Колумбия, Юргенсен С.Р., Гисин Дж.К., Харрисон Дж.Х. (март 1981 г.). «Взаимодействия субъединиц в митохондриальной малатдегидрогеназе. Кинетика и механизм реассоциации» . Журнал биологической химии . 256 (5): 2377–82. дои : 10.1016/S0021-9258(19)69790-5 . ПМИД 7462244 .
- ^ Дасика С.К., Виннакота К.К., Берд Д.А. (январь 2015 г.). «Определение каталитического механизма митохондриальной малатдегидрогеназы» . Биофизический журнал . 108 (2): 408–19. дои : 10.1016/j.bpj.2014.11.3467 . ПМК 4302198 . ПМИД 25606688 .
- ^ Лодола А., Шор Дж.Д., Паркер Д.М., Холбрук Дж. (декабрь 1978 г.). «Малатдегидрогеназа цитозоля. Кинетическое исследование механизма реакции и сравнение с лактатдегидрогеназой» . Биохимический журнал . 175 (3): 987–98. дои : 10.1042/bj1750987 . ПМЦ 1186162 . ПМИД 217361 .
- ^ Гелпи Х.Л., Дордал А., Монтсеррат Х., Мазо А., Кортес А. (апрель 1992 г.). «Кинетические исследования регуляции митохондриальной малатдегидрогеназы цитратом» . Биохимический журнал . 283 (Часть 1) (Часть 1): 289–97. дои : 10.1042/bj2830289 . ПМК 1131027 . ПМИД 1567375 .
- ^ Фахиен Л.А., Кмиотек Э.Х., Макдональд М.Дж., Фибич Б., Мандич М. (август 1988 г.). «Регуляция активности малатдегидрогеназы посредством глутамата, цитрата, альфа-кетоглутарата и мультиферментного взаимодействия» (PDF) . Журнал биологической химии . 263 (22): 10687–97. дои : 10.1016/S0021-9258(18)38026-8 . ПМИД 2899080 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Гуха А., Энглард С., Листовский I (февраль 1968 г.). «Яблочные дегидрогеназы говяжьего сердца. VII. Реакционная способность сульфгидрильных групп и конформация надосадочного фермента» . Журнал биологической химии . 243 (3): 609–15. дои : 10.1016/S0021-9258(18)93648-3 . ПМИД 5637713 .
- Макрейнольдс М.С., Китто ГБ (февраль 1970 г.). «Очистка и свойства малатдегидрогеназ дрозофилы». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Энзимология . 198 (2): 165–75. дои : 10.1016/0005-2744(70)90048-3 . ПМИД 4313528 .
- Вулф Р.Г., Нейландс Дж.Б. (июль 1956 г.). «Некоторые молекулярные и кинетические свойства яблочной дегидрогеназы сердца» . Журнал биологической химии . 221 (1): 61–9. дои : 10.1016/S0021-9258(18)65228-7 . ПМИД 13345798 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Малат+дегидрогеназа в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
