Laktaldehyd-Dehydrogenase

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Aldehyddehydrogenasen (ALDH) stellen eine Superfamilie NAD⁺- bzw. NADP⁺-abhängiger Enzyme dar, die die Oxidation von Aldehyden zu den entsprechenden Carbonsäuren katalysieren. Diese Enzyme sind evolutionär alt und in allen lebenden Systemen – von Archaeen bis zu Eukaryoten – weit verbreitet, wo sie endogene und exogene Aldehyde metabolisieren. In E. coli wurden bislang 17 Aldehyddehydrogenasen identifiziert und anhand ihrer Substratspezifität oder Sequenzähnlichkeit kategorisiert. Zwei Isoenzyme mit 33 % Sequenzidentität wurden als Produkte der Gene aldA und aldB identifiziert.

Funktionen

Lactaldehyddehydrogenase ist ein zinkhaltiges Enzym. Das Molekül besteht aus zwei Untereinheiten, von denen eine im aktiven Zentrum des Enzyms lokalisiert ist, während die andere der Stabilisierung der quartären Struktur dient. Die Lactaldehyddehydrogenase-Aktivität im Serum ist ein diagnostischer Indikator für akute Schädigungen von Leberparenchymzellen. Die Serumenzymaktivität ist bei gesunden Probanden oder bei Patienten ohne sekundäre Lebererkrankung negativ. Diese sind für den Menschen von großer Bedeutung, und Aldehyddehydrogenase wird breit eingesetzt werden.

L-Lactaldehyd

L-Lactaldehyd entsteht als Zwischenprodukt im Metabolismus von L-Fucose und L-Rhamnose in Bakterien, die diese Kohlenhydrate als Kohlenstoffquelle nutzen. Jedes dieser Kohlenhydrate wird über eine ähnliche Abfolge von durch Permease-, Isomerase-, Kinase- und Aldolase-Enzyme katalysierten Reaktionen metabolisiert. Die im letzten Schritt jedes Stoffwechselwegs gebildeten 6-Desoxyhexosen, L-Fuculose und L-Rhamnulose-1-phosphat, werden gespalten und liefern identische Produkte: Dihydroxyacetonphosphat und Lactaldehyd. Lactaldehyd wird anschließend in zwei aufeinanderfolgenden Schritten zu Pyruvat oxidiert.

Struktur der unligandierten Lactaldehyddehydrogenase

Die asymmetrische Einheit der Elementarzelle enthält ein Monomer, und die Symmetrieoperationen der Raumgruppe P6422 führen zur Assemblierung eines isologen Homotetramers, in dem die vier Monomere durch eine 222-Punktgruppensymmetrie (D2-Symmetrie) zueinander in Beziehung stehen. Die tetramere quartäre Struktur stimmt mit den Ergebnissen der Gelfiltrationschromatographie sowie jüngerer Ultrazentrifugations-Experimente überein. Jedes Monomer setzt sich aus einer katalytischen Domäne (Reste G254–Q438), einer Kofaktorbindungsdomäne (D21–K96, F442–E468 sowie Reste in der Rossmann-Faltung, G144–G253) und einer Oligomerisierungsdomäne (Reste Y122–A142 und Y469–S479) zusammen. Die Rossmann-Faltungsdomäne umfasst einen Teil der N-terminalen Region und bildet eine Wand des aktiven Zentrums. Wie von Weiner und Kollegen auf Basis eines Homologiemodells der Lactaldehyddehydrogenase erwartet, bilden neben der Oligomerisierungsdomäne auch ausgedehnte Bereiche hydrophober Oberfläche die Untereinheiten-Grenzfläche.

Mechanismus

Zunächst oxidiert die Lactaldehyddehydrogenase Lactaldehyd unter Verwendung von NAD⁺ als Kofaktor zu Lactat. Anschließend katalysiert die Lactatdehydrogenase die Oxidation von Lactat zu Pyruvat, das danach decarboxyliert und zu Acetyl-CoA umgewandelt wird, um über eine Reihe von durch den Pyruvatdehydrogenase-Komplex katalysierten Reaktionen in den Citratzyklus einzutreten. Alternativ wird unter anaeroben Bedingungen Lactaldehyd durch NADH und die L-1,2-Propandiol-Oxidoreduktase reduziert.

Reinigung der Lactaldehyddehydrogenase

Die Herstellung und Reinigung der E. coli-Lactaldehyddehydrogenase erfolgte zufällig. Während der heterologen Expression in E. coli und der Reinigung der Taxadien-Synthase aus der Pazifischen Eibe wurde die Lactaldehyddehydrogenase als Nebenprodukt von ca. 5 % identifiziert. Die Lactaldehyddehydrogenase wurde gemeinsam mit der Taxadien-Synthase koexprimiert und kogerreinigt, unter Verwendung der von Williams und Kollegen beschriebenen Methode.