Formaldehyd-Dehydrogenase

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Formaldehyddehydrogenase (FADH) ist ein Mitglied der Familie der mittellangen Zinkketten-Alkoholdehydrogenasen. Sie kommt in den meisten Prokaryoten und allen Eukaryoten vor. Es ist ein Enzym, das hauptsächlich zur Entgiftung von Formaldehyd in Mikroorganismen verwendet wird. In den letzten Jahren haben einige Studien gezeigt, dass Formaldehyddehydrogenase auch die Aktivität von S-Nitrosoglutathion-Reduktase (GSNOR) aufweist, die zur Regulierung des dynamischen Gleichgewichts von endogenem NO verwendet wird.

Abbildung 1. Struktur der Formaldehyddehydrogenase.

Einführungen

Formaldehyd ist eine aktive Verbindung, die nicht spezifisch mit Proteinen, Nukleinsäuren und Lipiden reagieren kann und für alle Organismen hochgiftig ist. Die Quelle von Formaldehyd ist sehr vielfältig. Um die tödlichen und mutagenen Wirkungen von Formaldehyd auf Organismen zu verhindern, haben Organismen eine Vielzahl von Reparaturmechanismen etabliert, um ihnen ein besseres Überleben in einer Umgebung mit Formaldehyd zu ermöglichen. Unter ihnen ist der Oxidationsweg von Formaldehyd in Mikroorganismen weit verbreitet. Ein Weg der Entgiftung. Das Schlüsselenzym Formaldehyddehydrogenase, das auf diesem Weg wirkt, ist ein Mitglied der Familie der mittellangen Zinkketten-Alkoholdehydrogenasen. Es kommt in den meisten Prokaryoten und allen Eukaryoten vor und spielt eine wichtige Rolle bei der Entgiftung von mikrobiellen Formaldehyd. In den letzten Jahren haben immer mehr Studien gezeigt, dass FADH nicht nur zur Entgiftung von Formaldehyd verwendet wird, sondern auch eine gewisse Verbindung mit dem NO-Stoffwechsel hat und die Aktivität von S-Nitrosoglutathion-Reduktase zeigt.

Physiologische Rolle der Formaldehyddehydrogenase

• Entgiftung von Formaldehyd

Eine der Hauptfunktionen von FADH in Mikroorganismen ist die Entgiftung von Formaldehyd, und der Formaldehydoxidationsweg ist ein weit verbreitetes enzymatisches System in der Umwandlung von Formaldehyd. Die meisten FADH benötigen normalerweise NAD+ und Glutathion (GSH), um an der Oxidation von Formaldehyd teilzunehmen. Die Formaldehyddehydrogenase (PFADH) in Pseudomonas putida ist das einzige Enzym, das Formaldehyd ohne die Beteiligung von GSH oxidieren kann.

• Regulierung des dynamischen Gleichgewichts von endogenem NO

NO ist ein Signalmolekül, das an vielen Funktionen im Organismus beteiligt ist. Aus NO abgeleitete reaktive Stickstoffspezies (RNS) können leicht S-Nitrosoglutathion (GSNO) mit dem wichtigsten intrazellulären Antioxidans GSH bilden. Die Biotransformation von GSNO ist der Hauptzweig des NO-Stoffwechsels, und endogenes GSNO ist ein wichtiger Faktor bei der Regulierung der NO-Homöostase.

Biochemische Eigenschaften

• Substratpräferenz

Viele Studien haben gezeigt, dass GSH-FADH aus verschiedenen biologischen Quellen eine hohe Aktivität gegenüber langkettigen Alkoholen wie n-Octanol, GSH-Addukten wie HMGSH, GSNO und anderen großen Substraten aufweist, während es für einige kleine Alkohole nur sehr geringe oder keine Aktivität hat.

• Stabilität

FADH hat eine gute thermische Stabilität, und die optimale Temperatur beträgt 30 °C.

• Kinetisches Reaktionsmechanismus

Die Reaktion von FADH folgt einem zufälligen Ping-Pong-Kinetikmechanismus, bei dem während des Prozesses der zufälligen Ping-Pong-Kinetik ein reduktiver und oxidativer Anfangskomplex gebildet wird. Die Bindung des Coenzyms während der Reaktion lässt die katalytische Domäne des Enzyms um 10 Grad zur Coenzym-Bindungsdomäne rotieren, und die aktive Stelle wird enger, wodurch das Enzym eine optimale Position bei der Bindung kleiner Molekülsubstrate erreicht.

Struktur der Formaldehyddehydrogenase

SDS-PAGE-Analysen zeigten, dass die Molekulargewichte der FADH-Untereinheiten alle um 40 kD lagen, und die Gel-Filtrationschromatographie zeigte, dass es Dimere und Tetramere gab. Studien haben ergeben, dass die Formaldehyddehydrogenasen in Escherichia coli und Rhodobacter sphaeroides normalerweise dimerische Proteine sind, während Pseudomonas putida, Paracoccus denitrificans, Hefen und Sulfolobus sulphureus in Form von Tetrameren vorliegen. Die Monomerstruktur von GSH-abhängiger FADH ist grundsätzlich ähnlich, ob sie dimer oder tetramer ist, während GSH-unabhängige FADH eine andere Struktur aufweist.

Regulation der FADH-Genexpression

Die Transkription der FADH-kodierenden Gene kann durch Zwischenprodukte, die im Prozess des Formaldehydstoffwechsels akkumuliert werden, und durch Signalmoleküle, die durch die Reduktionskraft im Weg erzeugt werden, aktiviert werden. Studien haben gezeigt, dass Escherichia coli und Haemophilus influenzae die Produktion von FADH-Enzymaktivität bei einer Formaldehydkonzentration von 0,6-20 ppm induzieren können; gleichzeitig wurde auch in den gramnegativen Bakterien Paracoccus denitrificans festgestellt, dass, wenn ihr Wachstumssubstrat ein Kohlenstoffverbindung ist, die Produktion von FADH-Enzymaktivität induziert werden kann, jedoch nicht, wenn das Substrat Methanol oder Ameisensäure ist, was darauf hindeutet, dass FADH induzierbar ist.

Anwendungen

• Nachweis der Formaldehydkonzentration

Die enzymatische Bestimmung von Formaldehyd unter Verwendung der katalytischen Eigenschaften der Formaldehyddehydrogenase ist nicht nur kostengünstig, sondern auch einfach in der Handhabung und eignet sich für den täglichen Einsatz am Arbeitsplatz.

• CO2-Recycling

Die enzymatische Katalyse von CO2 zu Methanol erfordert die Beteiligung von Formaldehyddehydrogenase und zwei anderen Schlüsselenzymen (Formiatdehydrogenase und Alkoholdedhydrogenase).

Schlussfolgerungen

Formaldehyddehydrogenase kommt in den meisten Prokaryoten und allen Eukaryoten vor. Formaldehyddehydrogenasen aus verschiedenen Quellen zeigen einen hohen Grad an Sequenzähnlichkeit. Die konservative Existenz der Formaldehyddehydrogenase weist auf ihre wichtige Rolle in Organismen hin. Der Formaldehydoxidationsweg der Formaldehyddehydrogenase ist ein weit verbreitetes Entgiftungssystem in Organismen.