Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ферменттер класы
Class of enzymes
Малатты дегидрогеназа (MDH) – NAD+-ды NADH-қа тотығу арқылы малаттың оксалоацетатқа кері айналуын катализдейтін фермент. Бұл реакция көптеген метаболизмдік жолдардың, оның ішінде лимон қышқылы циклының құрамына кіреді. Малатты тотықтыратын басқа реакцияларды катализдейтін және басқа EC нөмірлеріне ие басқа малат дегидрогеназалары да бар, мысалы, малат дегидрогеназасы (NADP+).
Malate dehydrogenase (MDH) is an enzyme that reversibly catalyzes the oxidation of malate to oxaloacetate using the reduction of NAD+ to NADH. This reaction is part of many metabolic pathways, including the citric acid cycle. Other malate dehydrogenases, which have other EC numbers and catalyze other reactions oxidizing malate, have qualified names like malate dehydrogenase (NADP+).
Белдіктер отбасылары
Малатты дегидрогеназалар тұқымдасына L лактатты дегидрогеназалар және L 2 гидроксиизокапроат дегидрогеназалары кіреді. L лактатты дегидрогеназасы L лактатты пируватқа түрлендіруді катализдейді, бұл анаэробты гликолиздің соңғы қадамы. N-ұшы Россманның NAD байланысу жиыры, ал C-ұшы ерекше альфа+бета жиыры болып табылады.
The malate dehydrogenase family contains L lactate dehydrogenase and L 2 hydroxyisocaproate dehydrogenases. L lactate dehydrogenases catalyzes the conversion of L lactate to pyruvate, the last step in anaerobic glycolysis. The N terminus is a Rossmann NAD binding fold and the C terminus is an unusual alpha+beta fold.
Эволюция және құрылым
Көптеген организмдерде малат дегидрогеназасы (MDH) гомодимерлік молекула түрінде кездеседі және құрылымы жағынан лактат дегидрогеназасына (LDH) өте жақын. Бұл 30 және 35 кДа салмақты кішібірліктері бар ірі ақуыз молекуласы. Аминоқышқылдық тізбектеріне сүйенсек, MDH екі негізгі филогенетикалық топқа жіктеледі, олар митохондриялық изоферменттерге немесе цитоплазмалық/хлоропласт изоферменттеріне ұқсас. Митохондриядағы малат дегидрогеназаның тізбектелген сәйкестігі цитоплазмалық изоферментке қарағанда прокариоттық ата-бабаларымен тығыз байланысты болғандықтан, митохондриялар мен хлоропластардың эндосимбиоз арқылы дамығандығы туралы теорияға келісуге болады. Археялық MDH аминқышқылдық тізбегі басқа организмдердің MDH-сына қарағанда LDH-қа көбірек ұқсайды. Бұл лактат дегидрогеназа мен малат дегидрогеназа арасында эволюциялық байланыс болуы мүмкін екенін көрсетеді. Малат дегидрогеназа димерінің әрбір кішібірлігі құрылымы мен функциясы бойынша ерекшеленетін екі бөлек доменге ие. NAD+ байланысу доменін параллель β-жапырақ құрылымы құрайды, ал орталық NAD+ байланысу орны төрт β-жапырақ және бір α-спиральдан тұрады. Кішібірліктер кең ауқымды сутекті байланыстар және гидрофобтық өзара әрекеттесулер арқылы байланыстырылған. Малат дегидрогеназа ферменттің катализдік белсенділігінде маңызды рөл атқаратын жылдам қозғалатын цикл аймағына ие екені де көрсетілген. Зерттеулер көрсеткендей, субстрат байланысқаннан кейін бұл цикл аймағының ашық конформациядан жабық конформацияға өзгеруі, субстрат пен катализдік аминқышқылдарды еріткіштен қорғау арқылы MDH катализін күшейтеді. Сондай-ақ, бұл цикл аймағы малат дегидрогеназада жоғары сақталғаны анықталды. Механикалық тұрғыдан алғанда, малат дегидрогеназа NAD+-ты электронды қабылдағыш ретінде пайдалана отырып, малаттың гидроксил тобының тотығуын катализдейді. Бұл тотығу кезеңі субстраттан протон мен гидрид ионының шығарылуына әкеледі. NAD+ гидрид ионын қабылдайды (нақтырақ айтқанда, гидрид ионы NAD+ никотинамид сақинасына беріледі) және NADH-қа дейін тотығады, ал сонымен бірге ферменттегі His 195 қалдығы протонды қабылдайды. Субстраттың базалық катализіне қатысатын оң зарядталған His 195 қалдығы, жанындағы теріс зарядталған Asp 168 қалдығымен тұрақтандырылады. Бұл электростатикалық тұрақтандыру протонның ауысуын жеңілдетеді. Зерттеулер малат дегидрогеназада ферменттің катализдік белсенділігіне қатысатын жылдам қозғалатын циклды анықтады. Цикл малат дегидрогеназа:кофермент кешенінің субстратқа байланысуына жауап ретінде субстрат пен катализдік аминқышқылдарды еріткіштен қорғау үшін конформациялық өзгеріске ұшырайды. Белсенді орынды жабу үшін циклдің жоғары қарай жылжуы ферменттегі катализдік маңызды амин қалдықтарының субстратпен күшті өзара әрекеттесуіне көмектеседі. Бұған қоса, циклдің қозғалысы ферменттің шешуші қадамын анықтайтын жылдамдықпен байланысты екені көрсетілді.
In most organisms, malate dehydrogenase (MDH) exists as a homodimeric molecule and is closely related to lactate dehydrogenase (LDH) in structure. It is a large protein molecule with subunits weighing between 30 and 35 kDa. Based on the amino acid sequences, it seems that MDH has diverged into two main phylogenetic groups that closely resemble either mitochondrial isozymes or cytoplasmic/chloroplast isozymes. Because the sequence identity of malate dehydrogenase in the mitochondria is more closely related to its prokaryotic ancestors in comparison to the cytoplasmic isozyme, the theory that mitochondria and chloroplasts were developed through endosymbiosis is plausible. The amino acid sequences of archaeal MDH are more similar to that of LDH than that of MDH of other organisms. This indicates that there is a possible evolutionary linkage between lactate dehydrogenase and malate dehydrogenase. Each subunit of the malate dehydrogenase dimer has two distinct domains that vary in structure and functionality. A parallel β sheet structure makes up the NAD+ binding domain, while four β sheets and one α helix comprise the central NAD+ binding site. The subunits are held together through extensive hydrogen bonding and hydrophobic interactions. Malate dehydrogenase has also been shown to have a mobile loop region that plays a crucial role in the enzyme's catalytic activity. Studies have shown that conformational change of this loop region from the open conformation to the closed conformation after binding of substrate enhances MDH catalysis through shielding of substrate and catalytic amino acids from solvent. Studies have also indicated that this loop region is highly conserved in malate dehydrogenase. Mechanistically, malate dehydrogenase catalyzes the oxidation of the hydroxyl group of malate by utilizing NAD+ as an electron acceptor. This oxidation step results in the elimination of a proton and a hydride ion from the substrate. NAD+ receives the hydride ion (specifically, the hydride ion is transferred to the nicotinamide ring of the NAD+) and becomes reduced to NADH while concomitantly, the His 195 residue on the enzyme accepts the proton. The positively charged His 195 residue, which is involved in base catalysis of the substrate, is stabilized by the adjacent, negatively charged Asp 168 residue. This electrostatic stabilization helps facilitate the transfer of the proton. Studies have also identified a mobile loop in malate dehydrogenase that participates in the catalytic activity of the enzyme. The loop undergoes a conformational change to shield the substrate and catalytic amino acids from the solvent in response to the binding of the malate dehydrogenase:coenzyme complex to substrate. This flipping of the loop to the up position to cover the active site also promotes enhanced interaction of the catalytically important amino residues on the enzyme with the substrate. Additionally, the movement of the loop has been shown to correlate with the rate determining step of the enzyme.
Реакция
Малатты дегидрогеназалар малатты оксалоацетатқа өте қайта айналдырады. Лимон қышқылы циклінде малат дегидрогеназа оксалоацетатты жаңартуға жауапты. Бұл реакция малаттағы гидроксил тобының тотығуы және NAD+-дың тотығуын қабылдауы арқылы жүзеге асырылады. Гидрид ионының NAD+-ға берілу механизмі лактат дегидрогеназа және алкоголь дегидрогеназасында байқалатын ұқсас механизммен жүзеге асырылады. Малат дегидрогеназаның ΔG'° +29,7 кДж/моль, ал ΔG (клетка ішінде) 0 кДж/моль құрайды.
Malate dehydrogenases catalyzes the interconversion of malate to oxaloacetate. In the citric acid cycle, malate dehydrogenase is responsible for catalyzing the regeneration of oxaloacetate This reaction occurs through the oxidation of hydroxyl group on malate and reduction of NAD+. The mechanism of the transfer of the hydride ion to NAD+ is carried out in a similar mechanism seen in lactate dehydrogenase and alcohol dehydrogenase. The ΔG'° of malate dehydrogenase is +29.7 kJ/mol and the ΔG (in the cell) is 0 kJ/mol.
Кинетика
Кинетикалық зерттеулер малат дегидрогеназа ферментінің активтілігі ретті екенін көрсетеді. Кофактор NAD+/NADH субстратқа дейін ферментке байланысады. Малаттың Km шамасы, яғни фермент активтілігінің максималды деңгейінің жартысына жететін концентрация 2 мМ құрайды. Kcat шамасы 259,2 с-1 тең.
Kinetic studies show that malate dehydrogenase enzymatic activity is ordered. The cofactor NAD+/NADH is bound to the enzyme before the substrate. The Km value for malate, i. e., the concentration at which the enzyme activity is half maximal, is 2 mM. The Kcat value is 259.2 s−1.
РН-нің катализдік белсенділікке әсері
Сонымен қатар, pH деңгейі каталитикалық механизмдегі протонның берілуі арқасында малат дегидрогеназаның субстратқа байланысу ерекшелігін реттейді. Гистидин тобының pK шамасы 7.5 екендігі ферменттің pH-қа тәуелділігіне әсер ететіні ұсынылған. Зерттеулер көрсеткендей, энол түріндегі оксалоацетаттың малат дегидрогеназа:НАДН кешенімен байланысуы жоғары pH деңгейлерінде анағұрлым жылдам жүзеге асады.
Additionally, pH levels control specificity of substrate binding by malate dehydrogenase due to proton transfer in the catalytic mechanism. A histidine moiety with a pK value of 7.5 has been suggested to play a role in the pH dependency of the enzyme. Studies have indicated that the binding of the enol form oxaloacetate with the malate dehydrogenase:NADH complex forms much more rapidly at higher pH values.
Алостерлік реттеу
Малатты дегидрогеназа лимон қышқылы циклымен тығыз байланысты болғандықтан, зерттеулер L-малаты мен NAD+ концентрациясына тәуелді цитраттың малатты дегидрогеназаның аллостериялық регуляторы екенін ұсынды және тәжірибе жүзінде көрсетті. Бұл жоғары оксалоацетат және L-малат концентрацияларында малат дегидрогеназаның кинетикалық мінез-құлқында байқалған ауытқуларға байланысты болуы мүмкін. Тәжірибелер цитраттың малатты дегидрогеназаның ферменттік белсенділігін аллостериялық түрде белсендіре де, тежей де алатынын көрсетті. Цитраттың L-малаты мен NAD+ деңгейі төмен болғанда L-малатының тотығуын тежегені дәлелденді. Алайда, малат пен NAD+ деңгейі жоғары болғанда цитрат оксалоацетат өндірісін ынталандыра алады. Малатты дегидрогеназа әдетте қайтымды фермент саналса да, цитраттың реакция тепе-теңдігін екі бағытта да өзгерте алатын ферментте аллостериялық реттеу орыны бар деп есептеледі. Глютаматтың да малатты дегидрогеназа белсенділігін тежейтіні көрсетілді. Сонымен қатар, альфа-кетоглутарат дегидрогеназаның митохондриялық аспартат аминотрансферазасымен өзара әрекеттесіп, кешен құрайтыны және одан кейін малатты дегидрогеназамен байланысып, үштік кешен құрайтыны анықталды. Бұл кешен глутаматтың малатты дегидрогеназаның ферменттік белсенділігіне тежегіш әсерін жояды. Бұдан өзге, осы кешеннің пайда болуы глутаматтың аминотрансферазамен реакцияға түсуіне мүмкіндік береді, малатты дегидрогеназаның белсенділігіне кедергі келтірмейді. Бұл үштік кешеннің пайда болуы оксалоацетаттың малатты дегидрогеназадан аминотрансферазаға шығуына көмектеседі. Кинетикалық тұрғыдан қарағанда, альфа-кетоглутарат дегидрогеназа мен аминотрансферазаның екілік кешенімен малатты дегидрогеназаның байланысы малатты дегидрогеназаның реакция жылдамдығын арттырады, себебі бұл кешеннің құрамында болғанда малатты дегидрогеназаның Km көрсеткіші төмендейді.
Because malate dehydrogenase is closely tied to the citric acid cycle, studies have proposed and experimentally demonstrated that citrate is an allosteric regulator of malate dehydrogenase depending on the concentrations of L malate and NAD+. This may be due to deviations observed in the kinetic behavior of malate dehydrogenase at high oxaloacetate and L malate concentrations. Experiments have shown that Citrate can both allosterically activate and inhibit the enzymatic activity of malate dehydrogenase. Citrate has been shown to inhibit the oxidation of L malate when there are low levels of L malate and NAD+. However, in the presence of high levels of malate and NAD+, citrate can stimulate the production of oxaloacetate. Although malate dehydrogenase is typically considered a reversible enzyme, it is believed that there is an allosteric regulatory site on the enzyme where citrate can bind to and drive the reaction equilibrium in either direction. Glutamate has also been shown to inhibit malate dehydrogenase activity. Furthermore, it has been shown that alpha ketoglutarate dehydrogenase can interact with mitochondrial aspartate aminotransferase to form a complex, which can then bind to malate dehydrogenase, forming a ternary complex that reverses inhibitory action on malate dehydrogenase enzymatic activity by glutamate. Additionally, the formation of this complex enables glutamate to react with aminotransferase without interfering activity of malate dehydrogenase. The formation of this ternary complex also facilitates the release of oxaloacetate from malate dehydrogenase to aminotransferase. Kinetically, the binding of malate dehydrogenase to the binary complex of alpha ketoglutarate dehydrogenase and aminotrannferase has been shown to increase reaction rate of malate dehydrogenase because the Km of malate dehydrogenase is decreased when it is bound as part of this complex.