リンゴ酸シンターゼ
リンゴ酸シンターゼは、アイソフォームAとアイソフォームGの2つの大きなファミリーに分類される。アイソフォームGは細菌にのみ存在する約 80 kDaのタンパク質で、単量体または二量体として存在する。アイソフォームAは各サブユニットが約 65 kDaのホモ多量体タンパク質で、真核生物でみられる。この酵素は中心にTIMバレルがN末端のαヘリックスの留め金に挟まれて存在し、α/βドメインがTIMバレル配列から伸びている。C末端の5本のヘリックスからなるプラグで終わる。アセチルCoAとグルオキシル酸が結合する活性部位は、TIMバレルとC末端プラグの間に位置している。結合に際し、アセチルCoAはアデニン環のN7とパンテテインテールのヒドロキシル基との間の分子内水素結合によって、結合ポケットへJ字型となって挿入される。さらに、活性部位内ではマグネシウムイオンにグリオキシル酸、グルタミン酸427番残基、アスパラギン酸455番残基、2つの水分子が配位している。結合の際にアセチルCoAと相互作用するアミノ酸は高度に保存されている。各アイソフォームの分類内の配列同一性は高いが、分類間の配列同一性は約15%にまで低下する。α/βドメインは明確な機能を持たず、アイソフォームAには存在しない。
リンゴ酸シンターゼの反応機構は、アセチルCoAとグリオキシル酸の縮合と中間体の加水分解である。まず、アスパラギン酸631番残基が触媒塩基として作用し、アセチルCoAのα炭素からプロトンを引き抜いて、アルギニン338番残基によって安定化されたエノラートを作り出す。この段階が反応の律速段階であると考えられている。その後、エノラートはグリオキシル酸のアルデヒドを攻撃する求核剤として作用し、アルギニン338番残基とマグネシウムカチオンによって安定化された酸素原子に負電荷が与えられる。このマリルCoA中間体はその後アシルCoA部分が加水分解され、カルボン酸アニオンに置き換えられる。そして、リンゴ酸とCoA分子が遊離する。
クエン酸回路(TCA回路またはクレブス回路としても知られる)は、好気性生物がアセチルCoAの酸化によってエネルギーを産生する方法である。アセチルCoAは解糖系の産物であるピルビン酸に由来する。クエン酸回路はアセチルCoAを受容して代謝し、二酸化炭素を形成する。クエン酸回路と関連するグリオキシル酸回路と呼ばれる回路が多くの細菌と植物に存在する。植物では、グリオキシル酸回路はグリオキシソームで行われる。この回路では、イソクエン酸リアーゼ(英語版)とリンゴ酸シンターゼによって、クエン酸回路の脱炭酸の段階がスキップされる。グリオキシル酸回路では、リンゴ酸シンターゼはイソクエン酸リアーゼと協働的に機能してクエン酸回路の2つの酸化段階を迂回し、多くの微生物で酢酸または脂肪酸からの炭素の取り込みを可能にする。これら2つの酵素はコハク酸とリンゴ酸を産生し、コハク酸は回路を出て糖の合成に利用される。この過程では、アセチルCoAと水が基質として利用され、クエン酸回路のように2分子の二酸化炭素が失われることはない。グリオキシル回路はリンゴ酸シンターゼとイソクエン酸リアーゼによって促進され、アセチルCoAまたは他の2炭素化合物で生存することが可能になる。例えば、単細胞の真核生物型藻類であるミドリムシの1種Euglena gracilisは、エタノールを消費してアセチルCoAを、そしてその後炭水化物を形成する。発芽中の植物では、グリオキシソーム内でグリオキシル酸回路によって貯蔵脂質から炭水化物への変換が行われる。