Malat dehidrogenase

Malat dehidrogenase () (MDH) ialah enzim yang memangkinkan tindak balas berbalik pengoksidaan malat kepada oksaloasetat menggunakan penurunan NAD+ kepada NADH. Tindak balas ini adalah sebahagian daripada banyak laluan metabolik, termasuk kitaran asid sitrik. Dehidrogenase malat lain yang mempunyai nombor EC lain dan memangkinkan tindak balas lain yang mengoksidakan malat, mempunyai nama yang layak seperti malat dehidrogenase (NADP+).

 Isozim 
Beberapa isozim malat dehidrogenase wujud. Terdapat dua isoform utama dalam sel eukariotik.  Satu ditemui dalam matriks mitokondria, mengambil bahagian sebagai enzim utama dalam kitaran asid sitrik yang memangkinkan pengoksidaan malat. Satu jenis lain ditemui dalam sitoplasma, dan membantu dalam pengulang-alik malat-aspartat dengan menukar molekul setara penurunan supaya malat boleh melalui membran mitokondria untuk diubah menjadi oksaloasetat bagi proses sel selanjutnya.

Manusia dan kebanyakan mamalia lain mengekspresikan dua malat dehidrogenase berikut:

 Keluarga protein 

Keluarga dehidrogenase malat mengandungi L-laktat dehidrogenase dan L-2-hidroksiisokaproat dehidrogenase. L-laktat dehidrogenase memangkinkan penukaran L-laktat kepada piruvat, langkah terakhir dalam glikolisis anaerob. Terminal N ialah lipatan pengikat Rossmann NAD dan terminal C ialah lipatan alfa+beta yang luar biasa.  

 Evolusi dan struktur 
Dalam kebanyakan organisma, malat dehidrogenase wujud sebagai molekul homodimer, dan berkait rapat dengan laktat dehidrogenase (LDH) berdasarkan struktur. Ia merupakan molekul protein yang besar dengan subunit dengan berat antara 30 dan 35 kDa. Berdasarkan jujukan asid amino, nampaknya MDH telah mencapah kepada dua kumpulan filogenetik utama yang hampir menyerupai sama ada isozim mitokondria atau isozim sitoplasma/kloroplas. Oleh kerana identiti jujukan dehidrogenase malat dalam mitokondria lebih berkait rapat dengan nenek moyang prokariotnya berbanding dengan isozim sitoplasma, teori bahawa mitokondria dan kloroplas telah dibangunkan melalui endosimbiosis adalah munasabah. Urutan asid amino MDH arkea lebih serupa dengan LDH berbanding MDH organisma lain. Ini menunjukkan bahawa terdapat kemungkinan hubungan evolusi antara laktat dan malat dehidrogenase.

Setiap subunit dimer malat dehidrogenase mempunyai dua domain berbeza yang berbeza dalam struktur dan fungsi. Struktur helaian β selari membentuk domain pengikatan NAD+, manakala empat helaian β dan satu heliks α terdiri daripada tapak pengikatan NAD+ pusat. Subunit disatukan melalui ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik yang meluas.

Malat dehidrogenase juga telah ditunjukkan mempunyai kawasan gelung mudah alih yang memainkan peranan penting dalam aktiviti pemangkin enzim. Kajian telah menunjukkan bahawa perubahan konformasi rantau gelung ini daripada konformasi terbuka kepada konformasi tertutup selepas pengikatan substrat meningkatkan pemangkinan MDH melalui perisai substrat dan asid amino pemangkin daripada pelarut. Kajian juga telah menunjukkan bahawa kawasan gelung ini sangat terpelihara dalam malat dehidrogenase.

 Mekanisme 
Tapak aktif malat dehidrogenase ialah rongga hidrofobik dalam kompleks protein yang mempunyai tapak pengikatan khusus untuk substrat dan koenzimnya, NAD+. Dalam keadaan aktifnya, MDH mengalami perubahan konformasi yang menutup substrat untuk meminimumkan pendedahan pelarut, dan meletakkan sisa-sisa utama dalam jarak yang lebih dekat dengan substrat. Tiga sisa khususnya yang terdiri daripada triad pemangkin ialah histidina (His-195), aspartat (Asp-168), kedua-duanya berfungsi bersama sebagai sistem pemindahan proton, dan arginina (Arg-102, Arg-109, Arg-171) yang melindungi substrat. 

Secara mekanikal, malat dehidrogenase memangkinkan pengoksidaan kumpulan hidroksil malat menggunakan NAD+ sebagai penerima elektron. Langkah pengoksidaan ini menghasilkan penyingkiran proton dan ion hidrida daripada substrat. NAD+ menerima ion hidrida (khususnya, ion hidrida dipindahkan ke gelang nikotinamida NAD+) dan diturunkan kepada NADH, dan secara serentak, sisa His-195 pada enzim menerima proton. Sisa His-195 bercas positif, yang terlibat dalam pemangkinan bes substrat, distabilkan oleh residu Asp-168 bercas negatif bersebelahan. Penstabilan elektrostatik ini membantu memudahkan pemindahan proton. Arg-102, Arg-109 dan Arg-171 (yang terproton lalu bercas positif) mengambil bahagian dalam pemangkinan elektrostatik, dan membantu mengikat karboksilat bercas negatif pada substrat. Selain itu, residu arginina di enzim memberikan kekhususan substrat tambahan dan mengikat melalui ikatan hidrogen antara rantai sisi guanidinium residu asid amino arginina dan karboksilat substrat.

Kajian juga telah mengenal pasti gelung mudah alih dalam malat dehidrogenase yang mengambil bahagian dalam aktiviti pemangkin enzim. Gelung mengalami perubahan konformasi untuk melindungi substrat dan asid amino pemangkin daripada pelarut sebagai tindak balas kepada pengikatan kompleks dehidrogenase malat: koenzim kepada substrat. Pembalikan gelung ke kedudukan atas untuk menutup tapak aktif juga menggalakkan penguatan interaksi sisa-sisa amino pemangkinan penting terhadap substrat. Selain itu, pergerakan gelung telah ditunjukkan berkait dengan langkah penentu kadar enzim.

 Fungsi 

 Reaksi 
Dehidrogenase malat memangkinkan pertukaran malat kepada oksaloasetat. Dalam kitaran asid sitrik, malat dehidrogenase bertanggungjawab untuk memangkinkan penjanaan semula oksaloasetat. Tindak balas ini berlaku melalui pengoksidaan kumpulan hidroksil pada malat dan pengurangan NAD+. Mekanisme pemindahan ion hidrida kepada NAD+ dijalankan dalam mekanisme yang serupa yang dilihat dalam laktat dehidrogenase dan alkohol dehidrogenase. ΔG'° malat dehidrogenase ialah +29.7 kJ/mol dan ΔG (dalam sel) ialah 0 kJ/mol.

 Laluan lain 
Malat dehidrogenase juga terlibat dalam glukoneogenesis, sintesis glukosa daripada molekul yang lebih kecil. Piruvat dalam mitokondria bertindak oleh piruvat karboksilase untuk membentuk oksaloasetat, perantaraan kitaran asid sitrik. Untuk mengeluarkan oksaloasetat daripada mitokondria, dehidrogenase malat mengurangkannya menjadi malat, dan kemudian melintasi membran mitokondria dalam. Sekali dalam sitosol, malat dioksidakan kembali kepada oksaloasetat oleh dehidrogenase malat sitosolik. Akhirnya, fosfoenolpiruvat karboksikinase (PEPCK) menukarkan oksaloasetat kepada fosfoenolpiruvat (PEP).

 Kinetik 
Kajian kinetik menunjukkan bahawa aktiviti enzimatik dehidrogenase malat adalah teratur. Kofaktor NAD+/NADH terikat terhadap enzim sebelum substrat. Nilai Km untuk malat, iaitu, kepekatan di mana aktiviti enzim separuh maksimum, ialah 2 mM. Nilai Kcat ialah 259.2 s−1.

 Kesan pH 
Di samping itu, tahap pH mengawal kekhususan pengikatan substrat oleh malat dehidrogenase akibat pemindahan proton dalam mekanisme pemangkin. Bahagian histidina dengan nilai pK 7.5 telah dicadangkan memainkan peranan dalam kebergantungan pH enzim. Kajian telah menunjukkan bahawa pengikatan enol membentuk oksaloasetat dengan malat dehidrogenase: kompleks NADH terbentuk dengan lebih cepat dalam pH yang lebih tinggi. Selain itu, pengikatan L-malat kepada malat dehidrogenase digalakkan dalam keadaan beralkali. Akibatnya, bentuk malat dehidrogenase yang tidak terproton lebih cenderung mengikat kepada L-malat dan bentuk enol oksaloasetat. Sebaliknya, D-malat, hidroksimalonat, dan bentuk keto oksaloasetat telah didapati mengikat secara eksklusif kepada bentuk enzim terproton. Khususnya, apabila histidina terproton, sisa His boleh membentuk ikatan hidrogen dengan oksigen karbonil substrat, mengalihkan ketumpatan elektron daripada oksigen, menjadikannya lebih mudah terdedah kepada serangan nukleofilik oleh hidrida. Ini menggalakkan pengikatan malat dehidrogenase kepada substrat ini. Akibatnya, dalam nilai pH yang lebih rendah, malat dehidrogenase lebih cenderung mengikat kepada D-malat, hidroksimalonat dan keto-oksaloasetat.

 Kawal atur alosterik 
Oleh kerana dehidrogenase malat berkait rapat dengan kitaran asid sitrik, cadangan kajian dan eksperimen telah menunjukkan bahawa sitrat ialah kawal atur alosterik malat dehidrogenase, bergantung kepada kepekatan L-malat dan NAD+. Ini mungkin disebabkan oleh pesongan yang diperhatikan dalam kelakuan kinetik malat dehidrogenase dalam kepekatan oksaloasetat dan L-malat yang tinggi. Eksperimen telah menunjukkan bahawa sitrat boleh mengaktifkan dan menghalang aktiviti enzim dehidrogenase. Sitrat telah ditunjukkan untuk menghalang pengoksidaan L-malat apabila L-malat dan NAD+ berada dalam tahap rendah. Walau bagaimanapun, dengan kehadiran tahap malat dan NAD + yang tinggi, sitrat boleh merangsang pengeluaran oksaloasetat. Walaupun malat dehidrogenase biasanya dianggap sebagai enzim berbalik, dipercayai bahawa terdapat tapak kawal atur alosterik pada enzim di mana sitrat boleh mengikat dan memacu keseimbangan tindak balas dalam kedua-dua arah.

Glutamat juga telah diperhatikan menghalang aktiviti dehidrogenase malat. Tambahan pula, telah ditunjukkan bahawa alfa-ketoglutarat dehidrogenase boleh berinteraksi dengan mitokondria aspartat aminotransferase untuk membentuk kompleks yang kemudiannya boleh mengikat kepada malat dehidrogenase, membentuk kompleks ternari yang membalikkan tindakan perencatan pada aktiviti enzim malat dehidrogenase oleh glutamat. Selain itu, pembentukan kompleks ini membolehkan glutamat bertindak balas dengan aminotransferase tanpa mengganggu aktiviti malat dehidrogenase. Pembentukan kompleks ternari ini juga memudahkan pembebasan oksaloasetat daripada malat dehidrogenase kepada aminotransferase. Secara kinetik, pengikatan malat dehidrogenase kepada kompleks duaan alfa-ketoglutarat dehidrogenase dan aminotransferase telah ditunjukkan meningkatkan kadar tindak balas malat dehidrogenase kerana Km malat dehidrogenase berkurangan apabila ia terikat sebagai sebahagian daripada kompleks ini. 

 Rujukan 

 Pautan luar 



Kategori:Respirasi sel
Kategori:Enzim dengan struktur diketahui
Kategori:EC 1.1.1