Dehydrogenaza jabłczanowa
| 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 | ||||||||
| PRYM | profil | ||||||||
| Struktury PDB | RCSB PDB PDBe PDB suma | ||||||||
| |||||||||
Dehydrogenaza jabłczanowa ( EC 1.1.1.37 ) ( MDH ) jest enzymem , który odwracalnie katalizuje utlenianie jabłczanu do szczawiooctanu poprzez 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 utleniania jabłczanu, mają nazwy kwalifikowane, takie jak dehydrogenaza jabłczanowa (NADP + ) .
izozymy
kilka izoenzymów dehydrogenazy jabłczanowej. Istnieją dwie główne izoformy w komórkach eukariotycznych. Jeden znajduje się w macierzy mitochondrialnej, uczestnicząc jako kluczowy enzym w cyklu kwasu cytrynowego, który katalizuje utlenianie jabłczanu. Drugi znajduje się w cytoplazmie , pomagając transferowi jabłczanowo-asparaginianowemu w wymianie równoważników redukujących, tak aby jabłczan mógł przejść przez błonę mitochondrialną i przekształcić się w szczawiooctan dla dalszych procesów komórkowych.
Ludzie i większość innych ssaków wyrażają następujące dwie dehydrogenazy jabłczanowe:
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Rodziny białek
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Rodzina dehydrogenaz jabłczanowych obejmuje dehydrogenazę L-mleczanową i dehydrogenazę L-2-hydroksyizokapronianową. Dehydrogenazy L-mleczanowe katalizują konwersję L-mleczanu do pirogronianu , ostatni etap beztlenowej glikolizy. N -koniec to fałd wiążący NAD Rossmanna, a C-koniec to niezwykły fałd alfa+beta.
Ewolucja i struktura
W większości organizmów dehydrogenaza jabłczanowa (MDH) występuje jako cząsteczka homodimeryczna i jest blisko spokrewniona z dehydrogenazą mleczanową (LDH) w strukturze. Jest to duża cząsteczka białka z podjednostkami o masie od 30 do 35 kDa. Na podstawie sekwencji aminokwasów wydaje się, że MDH rozdzieliło się na dwie główne grupy filogenetyczne, które bardzo przypominają izozymy mitochondrialne lub izozymy cytoplazmatyczne / chloroplastowe. Ponieważ tożsamość sekwencji dehydrogenazy jabłczanowej w mitochondriach jest bliżej spokrewniona z jej prokariotycznymi przodkami w porównaniu z izozymem cytoplazmatycznym, teoria, że mitochondria i chloroplasty powstały w wyniku endosymbiozy, jest wiarygodna. 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 arkusza β tworzy domenę wiążącą NAD+, podczas gdy cztery arkusze β i jedna helisa α tworzą centralne miejsce wiązania NAD + . Podjednostki są utrzymywane razem przez rozległe wiązania wodorowe i interakcje hydrofobowe.
Wykazano również, że dehydrogenaza jabłczanowa ma ruchomy region pętli, który odgrywa kluczową rolę w aktywności katalitycznej enzymu. Badania wykazały, że zmiana konformacyjna tego regionu pętli z konformacji otwartej do zamkniętej po związaniu substratu nasila katalizę MDH poprzez osłonę substratu i aminokwasów katalitycznych przed rozpuszczalnikiem. Badania wykazały również, że ten region pętli jest wysoce konserwatywny w dehydrogenazie jabłczanowej.
Mechanizm
Miejscem aktywnym dehydrogenazy jabłczanowej jest hydrofobowa wnęka w kompleksie białkowym, która ma specyficzne miejsca wiązania substratu i jego koenzymu NAD + . W stanie aktywnym MDH przechodzi zmianę konformacyjną, która otacza podłoże, aby zminimalizować ekspozycję na rozpuszczalnik i umieścić kluczowe reszty bliżej podłoża. W szczególności trzy reszty, które składają się na triadę katalityczną, to histydyna (His-195), asparaginian (Asp-168), z których obie działają razem jako system przenoszenia protonów, oraz argininy (Arg-102, Arg-109, Arg-171), które zabezpieczają podłoże.
Z mechanicznego punktu widzenia dehydrogenaza jabłczanowa katalizuje utlenianie grupy hydroksylowej jabłczanu, wykorzystując NAD + jako akceptor 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 ulega redukcji do NADH, podczas gdy reszta His-195 enzymu przyjmuje proton. Dodatnio naładowana reszta His-195, która bierze udział w katalizie zasady 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 katalizy elektrostatycznej i pomagają wiązać ujemnie naładowane karboksylany na podłożu. Dodatkowo reszty argininy na enzymie zapewniają dodatkową specyficzność substratową i wiązanie poprzez wiązania wodorowe między łańcuchem bocznym guanidyny reszt aminokwasowych argininy i karboksylanami substratu.
W badaniach zidentyfikowano również ruchomą pętlę w dehydrogenazie jabłczanowej, która bierze udział w katalitycznej aktywności enzymu. Pętla przechodzi zmianę konformacyjną, aby osłonić substrat i aminokwasy katalityczne przed rozpuszczalnikiem w odpowiedzi na wiązanie kompleksu dehydrogenaza jabłczanowa: koenzym z substratem. To odwrócenie pętli do pozycji górnej w celu pokrycia miejsca aktywnego sprzyja również zwiększonemu oddziaływaniu ważnych katalitycznie reszt aminowych enzymu z substratem. Dodatkowo wykazano, że ruch pętli koreluje z etapem determinującym szybkość enzymu.
Funkcjonować
Reakcja
Dehydrogenazy jabłczanowe katalizują wzajemną konwersję jabłczanu do szczawiooctanu. W cyklu kwasu cytrynowego dehydrogenaza jabłczanowa jest odpowiedzialna za katalizowanie regeneracji szczawiooctanu. Reakcja ta zachodzi poprzez utlenienie grupy hydroksylowej na jabłczanie i redukcję NAD + . Mechanizm przenoszenia jonu wodorkowego do NAD + przebiega podobnie jak w przypadku dehydrogenazy mleczanowej i dehydrogenazy 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 działa karboksylaza pirogronianowa, tworząc szczawiooctan, cyklu kwasu cytrynowego . Aby wydostać szczawiooctan z mitochondriów, dehydrogenaza jabłczanowa redukuje go do jabłczanu, który następnie przechodzi przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. W cytozolu jabłczan jest ponownie utleniany do szczawiooctanu przez cytozolową dehydrogenazę jabłczanową. 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 w wyniku przenoszenia protonów w mechanizmie katalitycznym. Sugerowano, że ugrupowanie histydyny o wartości pK 7,5 odgrywa rolę w zależności enzymu od pH. Badania wykazały, że wiązanie enolu w postaci szczawiooctanu z dehydrogenazą jabłczanową: kompleks NADH tworzy się znacznie szybciej przy wyższych wartościach pH. Dodatkowo, wiązanie L-jabłczanu z dehydrogenazą jabłczanową jest promowane w warunkach alkalicznych. W konsekwencji, nieprotonowana postać dehydrogenazy jabłczanowej wiąże się preferencyjnie z L-jabłczanem i formą enolową szczawiooctanu. W przeciwieństwie do tego stwierdzono, że D-jabłczan, hydroksymalonian i forma keto szczawiooctanu wiążą się wyłącznie z protonowaną postacią enzymu. W szczególności, gdy histydyna jest protonowana, reszta His może tworzyć wiązanie wodorowe z tlenem karbonylowym substratu, co przesuwa gęstość elektronów z dala od tlenu i czyni go bardziej podatnym na atak nukleofilowy wodorków. Sprzyja to wiązaniu dehydrogenazy jabłczanowej z tymi substratami. W rezultacie przy niższych wartościach pH dehydrogenaza jabłczanowa preferencyjnie wiąże się z D-jabłczanem, hydroksymalonianem i keto-szczawiooctem.
Regulacja allosteryczna
Ponieważ dehydrogenaza jabłczanowa jest ściśle związana z cyklem kwasu cytrynowego, w badaniach zaproponowano i wykazano eksperymentalnie, 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 allosterycznie aktywować, jak i hamować aktywność enzymatyczną dehydrogenazy jabłczanowej. Wykazano, że cytrynian hamuje utlenianie L-jabłczanu, gdy występuje niski poziom 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 istnieje allosteryczne miejsce regulatorowe, z którym cytrynian może wiązać się i kierować równowagą reakcji w dowolnym kierunku.
Wykazano również, że glutaminian hamuje aktywność dehydrogenazy jabłczanowej. Ponadto wykazano, że dehydrogenaza alfa-ketoglutaranowa może oddziaływać z mitochondrialną aminotransferazą asparaginianową, tworząc kompleks, który może następnie wiązać się z dehydrogenazą jabłczanową, tworząc trójskładnikowy kompleks, który odwraca hamujące działanie glutaminianu na aktywność enzymatyczną dehydrogenazy jabłczanowej. Dodatkowo tworzenie tego kompleksu umożliwia reakcję glutaminianu z aminotransferazą bez ingerencji w aktywność dehydrogenazy jabłczanowej. Tworzenie tego trójskładnikowego kompleksu ułatwia również uwalnianie szczawiooctanu z dehydrogenazy jabłczanowej do aminotransferazy. Wykazano, że kinetycznie wiązanie dehydrogenazy jabłczanowej z binarnym kompleksem dehydrogenazy alfa-ketoglutaranowej i aminotransferazy zwiększa szybkość reakcji dehydrogenazy jabłczanowej, ponieważ Km dehydrogenazy jabłczanowej zmniejsza się, gdy jest związana jako część tego kompleksu.
Interaktywna mapa szlaków
Kliknij geny, białka i metabolity poniżej, aby przejść do odpowiednich artykułów.
Dalsza lektura
- Guha A, Englard S, Listowsky I (luty 1968). „Dehydrogenazy jabłczane serca wołowego. VII. Reaktywność grup sulfhydrylowych i konformacja supernatantu enzymu” . Journal of Biological Chemistry . 243 (3): 609–15. doi : 10.1016/S0021-9258(18)93648-3 . PMID 5637713 .
- McReynolds MS, Kitto GB (luty 1970). „Oczyszczanie i właściwości dehydrogenaz jabłczanowych Drosophila”. Biochimica et 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 serca dehydrogenazy jabłkowej” . Journal of Biological Chemistry . 221 (1): 61-9. doi : 10.1016/S0021-9258(18)65228-7 . PMID 13345798 .
Linki zewnętrzne
- Jabłczan + dehydrogenaza w US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
