Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Малатдегидрогеназа (значения) .
Малатдегидрогеназа
Малатдегидрогеназа structure.png
Структура белка с присоединенными кофакторами
Идентификаторы
Номер ЕС1.1.1.37
Количество CAS9001-64-3
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки

Малат - дегидрогеназа ( ЕС 1.1.1.37 ) ( МДГ ) представляет собой фермент , который обратимо катализирует к окислению в малате , чтобы оксалоацетат с помощью снижения NAD + к NADH. Эта реакция является частью многих метаболических путей , включая цикл лимонной кислоты . Другие малата дегидрогеназа , которые имеют другие номера EC и катализируют другие реакции окислительных малат, имеет определенные имена , как малат дегидрогеназа (НАДФ + ) .

Изоферменты [ править ]

Существует несколько изоферментов малатдегидрогеназы. В эукариотических клетках есть две основные изоформы . [1] Один из них находится в матриксе митохондрий и участвует в качестве ключевого фермента в цикле лимонной кислоты, который катализирует окисление малата. Другой находится в цитоплазме , помогая челноку малат-аспартат обмениваться восстанавливающими эквивалентами, так что малат может проходить через митохондриальную мембрану и превращаться в оксалоацетат для дальнейших клеточных процессов. [2]

Люди и большинство других млекопитающих экспрессируют следующие две малатдегидрогеназы:

Семейства белков [ править ]

Трехмерная кристаллическая структура области подвижной петли в малатдегидрогеназе в закрытой и открытой конформации. Закрытая конформация MDH показана розовым цветом (указана розовой стрелкой), а открытая конформация показана голубым цветом (указана голубой стрелкой).

Семейство малатдегидрогеназ содержит L-лактатдегидрогеназу и L-2-гидроксиизокапроатдегидрогеназу . L-лактатдегидрогеназа катализирует превращение L-лактата в пируват , последнюю стадию анаэробного гликолиза. N-конец является Rossmann НАД-связывающим сгиба и С-конец является необычным альфа + бета раза. [3] [4]

Эволюция и структура [ править ]

У большинства организмов малатдегидрогеназа (МДГ) существует в виде гомодимерной молекулы и по структуре тесно связана с лактатдегидрогеназой (ЛДГ). Это большая молекула белка с субъединицами массой от 30 до 35 кДа. [5] Судя по аминокислотным последовательностям, MDH разделилась на две основные филогенетические группы, которые очень похожи либо на митохондриальные изоферменты, либо на изоферменты цитоплазмы / хлоропластов. [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 возникли в результате эндосимбиоза, является правдоподобной. [7]Аминокислотные последовательности архой MDH больше похожи на ЛДГ , чем у MDH 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-листов составляет домен связывания NAD +, тогда как четыре β-листа и одна α-спираль составляют центральный сайт связывания NAD + . Субъединицы удерживаются вместе за счет обширных водородных связей и гидрофобных взаимодействий. [9]

Также было показано, что малатдегидрогеназа имеет участок подвижной петли, который играет решающую роль в каталитической активности фермента. Исследования показали, что конформационное изменение этой области петли от открытой конформации к закрытой после связывания субстрата усиливает катализ МДГ за счет защиты субстрата и каталитических аминокислот от растворителя. Исследования также показали, что эта область петли является высококонсервативной в малатдегидрогеназе. [6]

Механизм [ править ]

Активный центр малатдегидрогеназы

Активный центр малатдегидрогеназы представляет собой гидрофобную полость внутри белкового комплекса, которая имеет специфические сайты связывания для субстрата и его кофермента , NAD + . В активном состоянии MDH претерпевает конформационные изменения, которые окружают субстрат, чтобы минимизировать воздействие растворителя и расположить ключевые остатки ближе к субстрату. [6] В частности, три остатка, составляющие каталитическую триаду, - это гистидин (His-195), аспартат (Asp-168), оба из которых работают вместе как система переноса протона, и аргинины (Arg-102, Arg-109, Арг-171), которые закрепляют подложку. [10]

Механически малатдегидрогеназа катализирует окисление гидроксильной группы малата, используя НАД + в качестве акцептора электронов. Эта стадия окисления приводит к удалению протона и иона гидрида из субстрата. НАД + получает ион гидрида (в частности, ион гидрида переносится на никотинамидное кольцо НАД + ) и восстанавливается до НАДН, в то время как одновременно 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 субстратную специфичность и связывание за счет водородной связи между гуанидиниевой боковой цепью аминокислотных остатков аргинина и карбоксилатами субстрата. [12]

Исследования также выявили подвижную петлю в малатдегидрогеназе, которая участвует в каталитической активности фермента. Петля претерпевает конформационное изменение, чтобы защитить субстрат и каталитические аминокислоты от растворителя в ответ на связывание комплекса малатдегидрогеназа: кофермент с субстратом. Это переворачивание петли в верхнее положение, чтобы закрыть активный центр, также способствует усиленному взаимодействию каталитически важных аминокислотных остатков фермента с субстратом. Кроме того, было показано, что движение петли коррелирует с этапом определения скорости фермента. [13]

Функция [ править ]

Реакция [ править ]

Общая реакция, показывающая окисление малата, катализируемое малатдегидрогеназой, посредством восстановления NAD + .

Малатдегидрогеназа катализирует взаимное превращение малата в оксалоацетат. В цикле лимонной кислоты малатдегидрогеназа ответственна за катализ регенерации оксалоацетата. Эта реакция происходит за счет окисления гидроксильной группы малата и восстановления NAD + . Механизм переноса гидрид-иона на NAD + осуществляется по аналогичному механизму, наблюдаемому в лактатдегидрогеназе и алкогольдегидрогеназе. ΔG '° малатдегидрогеназы составляет +29,7 кДж / моль, а ΔG (в ячейке) составляет 0 кДж / моль. [11]

Другие пути [ править ]

Малатдегидрогеназа также участвует в глюконеогенезе , синтезе глюкозы из более мелких молекул. Пируват в митохондриях подвергается действию пируваткарбоксилазы с образованием оксалоацетата, промежуточного соединения цикла лимонной кислоты . Чтобы получить оксалоацетат из митохондрий, малатдегидрогеназа восстанавливает его до малата, а затем он проходит через внутреннюю мембрану митохондрий. Попав в цитозоль, малат снова окисляется до оксалоацетата цитозольной малатдегидрогеназой. Наконец, фосфоенолпируваткарбоксикиназа (PEPCK) превращает оксалоацетат в фосфоенолпируват (PEP). [14]

Кинетика [ править ]

Кинетические исследования показывают, что ферментативная активность малатдегидрогеназы упорядочена. Кофактор НАД + / НАДН связывается с ферментом раньше субстрата. [15] Значение Km для малата, т. Е. Концентрация, при которой активность фермента является полумаксимальной, составляет 2 мМ. Значение Kcat составляет 259,2 с -1 . [16]

Влияние pH на каталитическую активность [ править ]

Кроме того, уровни pH контролируют специфичность связывания субстрата малатдегидрогеназой за счет переноса протона в каталитическом механизме. [17] Было высказано предположение, что гистидиновый фрагмент со значением pK 7,5 играет роль в pH-зависимости фермента. Исследования показали, что связывание енольной формы оксалоацетата с малатдегидрогеназой: комплекс НАДН образуется намного быстрее при более высоких значениях pH. [12]Кроме того, связывание L-малата с малатдегидрогеназой усиливается в щелочных условиях. Следовательно, непротонированная форма малатдегидрогеназы связывается преимущественно с L-малатом и енольной формой оксалоацетата. Напротив, было обнаружено, что D-малат, гидроксималонат и кетоформа оксалоацетата связываются исключительно с протонированной формой фермента. В частности, когда гистидин протонирован, 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 связывается преимущественно с D-малатом, гидроксималонатом и кетооксалоацетатом. [18]

Аллостерическая регуляция [ править ]

Поскольку малатдегидрогеназа тесно связана с циклом лимонной кислоты, исследования предложили и экспериментально продемонстрировали, что цитрат является аллостерическим регулятором малатдегидрогеназы в зависимости от концентраций L-малата и NAD + . Это может быть связано с отклонениями, наблюдаемыми в кинетическом поведении малатдегидрогеназы при высоких концентрациях оксалоацетата и L-малата. Эксперименты показали, что цитрат может аллостерически активировать и подавлять ферментативную активность малатдегидрогеназы. Было показано, что цитрат ингибирует окисление L-малата при низких уровнях L-малата и NAD + . Однако при высоком уровне малата и НАД +, цитрат может стимулировать выработку оксалоацетата. Хотя малатдегидрогеназа обычно считается обратимым ферментом, считается, что на ферменте существует аллостерический регуляторный сайт, где цитрат может связываться и управлять равновесием реакции в любом направлении. [19]

Было также показано, что глутамат подавляет 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 меняет ингибирующее действие глутамата на ферментативную активность малатдегидрогеназы. Кроме того, образование этого комплекса позволяет глутамату реагировать с аминотрансферазой, не влияя на активность малатдегидрогеназы. Образование этого тройного комплекса также способствует высвобождению оксалоацетата из малатдегидрогеназы в аминотрансферазу. Кинетически,Было показано, что связывание малатдегидрогеназы с бинарным комплексом альфа-кетоглутаратдегидрогеназы и аминотраннферазы увеличивает скорость реакции малатдегидрогеназы, поскольку Km малатдегидрогеназы уменьшается, когда она связывается как часть этого комплекса.[20]

Интерактивная карта проезда [ править ]

Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы ссылки на соответствующие статьи. [§ 1]

  1. ^ Интерактивную карту путей можно отредактировать на WikiPathways: " GlycolysisGluconeogenesis_WP534 " .

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Минарик П., Томаскова Н., Колларова М., Анталик М. (сентябрь 2002 г.). «Малатдегидрогеназы - строение и функции». Общая физиология и биофизика . 21 (3): 257–65. PMID 12537350 . 
  2. ^ Musrati RA, Kollárova M, N Mernik, Микулашова D (сентябрь 1998). «Малатдегидрогеназа: распределение, функции и свойства». Общая физиология и биофизика . 17 (3): 193–210. PMID 9834842 . 
  3. ^ Chapman AD, Кортес A, Dafforn TR, Кларк Р., Brady RL (январь 1999). «Структурные основы субстратной специфичности в малатдегидрогеназах: кристаллическая структура тройного комплекса цитоплазматической малатдегидрогеназы свиней, альфа-кетомалоната и тетрагидоната». Журнал молекулярной биологии . 285 (2): 703–12. DOI : 10.1006 / jmbi.1998.2357 . PMID 10075524 . 
  4. ^ Madern D (июнь 2002). «Молекулярная эволюция в суперсемействе L-малат и L-лактатдегидрогеназа» . Журнал молекулярной эволюции . 54 (6): 825–40. Bibcode : 2002JMolE..54..825M . DOI : 10.1007 / s00239-001-0088-8 . PMID 12029364 . S2CID 469660 .  
  5. ^ Banaszak LJ, Bradshaw RA (1975). «Малатдегидрогеназа». В Boyer PD (ред.). Ферменты . 11 (3-е изд.). Нью-Йорк: Academic Press. С. 369–396.
  6. ^ a b c Говард CR, Николс DJ (октябрь 1994). «Малатдегидрогеназа: модель структуры, эволюции и катализа» . Белковая наука . 3 (10): 1883–8. DOI : 10.1002 / pro.5560031027 . PMC 2142602 . PMID 7849603 .  
  7. ^ Макалистер-Хенн L (май 1988). «Эволюционные взаимоотношения между малатдегидрогеназами». Направления биохимических наук . 13 (5): 178–81. DOI : 10.1016 / 0968-0004 (88) 90146-6 . PMID 3076279 . 
  8. ^ Cendrin Р, Chroboczek Дж, Закхая G, Айзенберга Н, Mevarech М (апрель 1993 г.). «Клонирование, секвенирование и экспрессия в Escherichia coli гена, кодирующего малатдегидрогеназу чрезвычайно галофильной архебактерии Haloarcula marismortui». Биохимия . 32 (16): 4308–13. DOI : 10.1021 / bi00067a020 . PMID 8476859 . 
  9. ^ Hall MD Левитт DG, Banaszak LJ (август 1992). «Кристаллическая структура малатдегидрогеназы Escherichia coli. Комплекс апофермента и цитрата с разрешением 1,87 A». Журнал молекулярной биологии . 226 (3): 867–82. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (92) 90637-Y . PMID 1507230 . 
  10. ^ Ламзин VS, Dauter Z, Wilson KS (май 1994). «Дегидрирование через зеркало». Структурная биология природы . 1 (5): 281–2. DOI : 10.1038 / nsb0594-281 . PMID 7664032 . S2CID 26167967 .  
  11. ↑ a b Voet D, Voet JG, Pratt CW (2015). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. С. 574–5. ISBN 978-0-470-54784-7.
  12. ^ a b Бернштейн LH, Everse J (декабрь 1978 г.). «Исследования механизма реакции малатдегидрогеназы» (PDF) . Журнал биологической химии . 253 (24): 8702–7. PMID 31361 .  
  13. ^ Уолдман А.Д., Харт КВт, Кларк Р., Уигли БД, Барстоу Д.А., Аткинсон Т, Чиа WN, Holbrook JJ (январь 1988). «Использование генно-инженерного триптофана для идентификации движения домена лактатдегидрогеназы B. stearothermophilus с помощью процесса, который ограничивает устойчивый оборот фермента». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях . 150 (2): 752–9. DOI : 10.1016 / 0006-291X (88) 90455-X . PMID 3422557 . 
  14. ^ Хунг ГХ, Коричневый CR, Вольф А.Б., Лю Дж, Чан HL (ноябрь 2004 г.). «Распад глюконеогенных ферментов фруктозо-1,6-бисфосфатазы и малатдегидрогеназы опосредуется разными протеолитическими путями и сигнальными событиями» . Журнал биологической химии . 279 (47): 49138–50. DOI : 10.1074 / jbc.M404544200 . PMID 15358789 . 
  15. ^ Показывает TB, Чепмен В.М., Раддл Ф.Х. (декабрь 1970 г.). «Митохондриальная малатдегидрогеназа и яблочный фермент: унаследованные по Мендели электрофоретические варианты у мышей». Биохимическая генетика . 4 (6): 707–18. DOI : 10.1007 / BF00486384 . PMID 5496232 . S2CID 35435579 .  
  16. ^ Дерево DC, Jurgensen SR, Гизином JC, Харрисон JH (март 1981). «Субъединичные взаимодействия в митохондриальной малатдегидрогеназе. Кинетика и механизм реассоциации». Журнал биологической химии . 256 (5): 2377–82. PMID 7462244 . 
  17. ^ DASIKA SK, Vinnakota KC, Борода DA (январь 2015). «Определение каталитического механизма митохондриальной малатдегидрогеназы» . Биофизический журнал . 108 (2): 408–19. DOI : 10.1016 / j.bpj.2014.11.3467 . PMC 4302198 . PMID 25606688 .  
  18. ^ Lodola A, Shore JD, Parker DM, Холбрук J (декабрь 1978). «Малатдегидрогеназа цитозоля. Кинетическое исследование механизма реакции и сравнение с лактатдегидрогеназой» . Биохимический журнал . 175 (3): 987–98. DOI : 10.1042 / bj1750987 . PMC 1186162 . PMID 217361 .  
  19. ^ Gelpi JL, Dordal A, Монсеррат J, Маз A, Кортес A (апрель 1992). «Кинетические исследования регуляции митохондриальной малатдегидрогеназы цитратом» . Биохимический журнал . 283 (Pt 1) (Pt 1): 289–97. DOI : 10.1042 / bj2830289 . PMC 1131027 . PMID 1567375 .  
  20. ^ Fahien Л.А., Kmiotek EH, Макдональд MJ, Fibich B, Мандич M (август 1988). «Регулирование активности малатдегидрогеназы с помощью глутамата, цитрата, альфа-кетоглутарата и мультиферментного взаимодействия» (PDF) . Журнал биологической химии . 263 (22): 10687–97. PMID 2899080 .  

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Guha A, Englard S, Listowsky I (февраль 1968 г.). «Яблочные дегидрогеназы говяжьего сердца. VII. Реакционная способность сульфгидрильных групп и конформация супернатантного фермента». Журнал биологической химии . 243 (3): 609–15. PMID  5637713 .
  • McReynolds MS, Kitto GB (февраль 1970 г.). «Очистка и свойства малатдегидрогеназ дрозофилы». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Энзимология . 198 (2): 165–75. DOI : 10.1016 / 0005-2744 (70) 90048-3 . PMID  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. PMID  13345798 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Малат + дегидрогеназа в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)