Lactaldehyddehydrogenase

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

Funktionen

Lactaldehyddehydrogenase ist ein zinkhaltiges Enzym. Ihr Molekül besteht aus zwei Untereinheiten, von denen eine im aktiven Zentrum des Enzyms lokalisiert ist und die andere als Stabilisierung der quartären Struktur fungiert. Die Aktivität der Lactaldehyddehydrogenase im Serum ist ein diagnostischer Indikator für akute Schädigungen der hepatischen Parenchymzellen. Die Serumenzymaktivität ist bei normalen Probanden oder bei Patienten ohne sekundäre Lebererkrankung negativ. Diese sind von großer Bedeutung für den Menschen und Aldehyddehydrogenase wird weit verbreitet eingesetzt werden.

L-Lactaldehyd

L-Lactaldehyd wird als Zwischenprodukt im Metabolismus von L-Fucose und L-Rhamnose in Bakterien erzeugt, die diese Kohlenhydrate als Kohlenstoffquelle nutzen. Jedes dieser Kohlenhydrate wird durch eine ähnliche Abfolge von Permease-, Isomerase-, Kinase- und Aldolase-enzymkatalysierten Reaktionen metabolisiert. Die in dem letzten Schritt jedes Weges erzeugten 6-Deoxyhexosen, L-Fuculose und L-Rhamnulose-1-phosphat, werden gespalten, um identische Produkte, Dihydroxyacetonphosphat und Lactaldehyd, zu erzeugen. Lactaldehyd wird dann in zwei aufeinanderfolgenden Schritten zu Pyruvat oxidiert.

Struktur der unligandierten Lactaldehyddehydrogenase

Die asymmetrische Einheit der Elementarzelle enthält ein Monomer, und die Symmetrieoperationen, die zur Raumgruppe P6422 gehören, führen zur Assemblierung eines isologen Homotetramers, in dem die vier Monomere durch 222-Punktgruppensymmetrie (D2-Symmetrie) miteinander verbunden sind. Die tetramerische quartäre Struktur stimmt mit den Ergebnissen der Gel-Filtrationschromatographie und aktuellen Ultrazentrifugationsexperimenten überein. Jedes Monomer besteht aus einer katalytischen Domäne (Reste von G254 - Q438), einer Cofaktor-Bindungsdomäne (D21 - K96, F442 - E468 und Reste im Rossmann-Faltblatt, G144 - G253) und einer Oligomerisierungsdomäne (Reste von Y122 - A142 und Y469 - S479). Die Rossmann-Faltblatt-Domäne umfasst einen Teil des N-terminalen Bereichs und bildet eine Wand des aktiven Zentrums. Wie von Weiner und Kollegen basierend auf einem Homologiemodell der Lactaldehyddehydrogenase erwartet, umfassen große Bereiche der hydrophoben Oberfläche zusätzlich zur Oligomerisierungsdomäne die Untereinheitenoberfläche.

Mechanismus

Zuerst oxidiert die Lactaldehyddehydrogenase Lactaldehyd zu Lactat unter Verwendung von NAD+ als Cofaktor. Die Lactatdehydrogenase katalysiert dann die Oxidation von Lactat zur Bildung von Pyruvat, das anschließend einer Decarboxylierung und Umwandlung zu Acetyl-CoA unterzogen wird, um in den Krebszyklus einzutreten, in einer Reihe von Reaktionen, die vom Pyruvatdehydrogenase-Komplex katalysiert werden. Alternativ wird unter anaeroben Bedingungen Lactaldehyd von NADH und L-1,2-Propanediol-Oxidoreduktase reduziert.

Reinigung der Lactaldehyddehydrogenase

Die Vorbereitung und Reinigung der E. coli Lactaldehyddehydrogenase war zufällig. Während der heterologen Expression in E. coli und der Reinigung von Taxadien-Synthase aus der Pazifischen Eibe wurde die Lactaldehyddehydrogenase als ∼5% Nebenprodukt identifiziert. Die Lactaldehyddehydrogenase wurde zusammen mit der Taxadien-Synthase unter Verwendung der von Williams und Kollegen beschriebenen Methode co-exprimiert und co-reinigt.