MDH

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MDH ist ein Enzym, das die Umwandlung zwischen Apfelsäure und Oxalessigsäure hauptsächlich unter Verwendung von NAD⁺/NADH als Cofaktor katalysiert. Trotz der ungünstigen Reaktion zur Bildung von Oxalessigsäure unter standardthermodynamischen Bedingungen ist MDH immer noch hauptsächlich an der Oxidation des TCA-Zyklus (Umwandlung von Apfelsäure in Oxalessigsäure) beteiligt. Daher wurde vorgeschlagen, dass das Enzym andere Funktionen in der Zelle hat. MDH kann am reduzierenden TCA-Zyklus teilnehmen, um oxidativem Stress zu widerstehen, und kann auch am Transport von Substraten durch Stoffwechselwege teilnehmen. Das MDH von E. coli, das unter anaeroben Bedingungen gewachsen ist, nimmt am reduzierenden TCA-Zyklus teil (Umwandlung von Oxalessigsäure in Apfelsäure) und produziert Bernsteinsäure. Darüber hinaus bindet Oxalacetat an freie Radikale und beteiligt sich somit am Schutz gegen oxidativen Stress. MDH von Pseudomonas fluorescens, Apfelsäure-Enzym und Pyruvat-Carboxylase sind am Antioxidansweg beteiligt, der das Antioxidans NADH in das Antioxidans NADPH umwandelt.

Abbildung 1. Proteinstruktur von MDH.

Einführungen

Das MDH-Protein in einigen Mikroorganismen kann mit anderen TCA-Zyklus-Enzymen interagieren, um die Substratkanalisierung zu fördern und dadurch die Aktivität zu erhöhen. Zum Beispiel interagiert MDH in Bacillus subtilis mit zwei TCA-Zyklus-Enzymen (Isocitratdehydrogenase und Citrat-Synthase), um Metaboliten zu bilden. Es wurde auch berichtet, dass MDH von E. coli mit Komplex I der Atmungskette interagiert, um NADH direkt zu übertragen. Mehrere eukaryotische MDH-Isoformen wurden in verschiedenen Organellen gefunden, und sie sind an mehreren Stoffwechselwegen beteiligt. Bei Bakterien werden MDH-Isoformen nach ihrer Cofaktor-Spezifität oder der Anzahl der Untereinheiten klassifiziert. Es gibt zwei Typen von MDH-Isoformen in M. thermophilus. Eine davon ist spezifisch für NAD⁺ und katalysiert die gegenseitige Umwandlung von Apfelsäure und Oxalessigsäure. Die andere Isoform kann NAD⁺ oder NADP⁺ verwenden, katalysiert jedoch nur die Reduktion von Oxalessigsäure. Zwei MDH-Subtypen wurden für Bacillus sphaericus 2R, palustris f-8pt und Bacillus cereus D-402 identifiziert. Dimer-Isoformen nehmen am TCA-Zyklus teil, und Tetramer-Isoformen nehmen am Glyoxylat-Zyklus teil.

Funktion der Malatdehydrogenase

MDH ist ein Enzym, das die Umwandlung zwischen Apfelsäure und Oxalessigsäure hauptsächlich unter Verwendung von NAD⁺/NADH als Cofaktor katalysiert. Trotz der ungünstigen Reaktion zur Bildung von Oxalessigsäure unter standardthermodynamischen Bedingungen ist MDH immer noch hauptsächlich an der Oxidation des TCA-Zyklus (Umwandlung von Apfelsäure in Oxalessigsäure) beteiligt. Aus diesem Grund wurde vorgeschlagen, dass das Enzym andere Funktionen in der Zelle hat. MDH kann am reduzierenden TCA-Zyklus teilnehmen, um oxidativem Stress zu widerstehen, und kann auch am Transport von Substraten durch Stoffwechselwege teilnehmen. Das MDH von E. coli, das unter anaeroben Bedingungen gewachsen ist, nimmt am reduzierenden TCA-Zyklus teil (Umwandlung von Oxalessigsäure in Apfelsäure) und produziert Bernsteinsäure. Darüber hinaus, da Oxalacetat an freie Radikale bindet, beteiligt es sich am Schutz gegen oxidativen Stress. MDH von Pseudomonas fluorescens, Apfelsäure-Enzym und Pyruvat-Carboxylase sind am Antioxidansweg beteiligt, der das Antioxidans NADH in das Antioxidans NADPH umwandelt.

Abbildung 2. Allgemeine Reaktion, die die von Malatdehydrogenase katalysierte Oxidation von Malat durch Reduktion von NAD+ zeigt.

Regulation

Studien haben gezeigt, dass überschüssiges Oxalacetat und NADH die MDH-Aktivität stark hemmen. In einigen Fällen hemmen hohe Konzentrationen von Apfelsäure die Reduktion von Oxalacetat. Die hohe Konzentration von Oxalatacetat hemmte auch die MDHs von Archaeen, Rhodobacter halodurans und Rhodosporidium. NADH hat den gleichen hemmenden Effekt in Myceliophthora thermophila, Aspergillus flavus und E. coli.

Transkriptionale Regulation des MDH-Gens

Die Expression des mdh-Gens wird durch den Kohlenstoffkatabolismus in mehreren Organismen gehemmt. Unter thermophilen Bakterien hat MDH ein höheres Expressionsniveau, wenn es als Kohlenstoffquelle auf Apfelsäure anstelle von Glukose gewachsen wird. Darüber hinaus ist unter aeroben Bedingungen der pyruvat-exprimierte E. coli mdh-Gehalt 4-mal höher als bei Glukose. Wenn Staphylococcus in Glukose wächst, bleibt die Expression konstant, während sie bei Wachstum in Fruktose induziert wird. Die mdh-Expression kann auch durch Transkriptionsfaktoren reguliert werden. In E. coli wird die Expression durch das Protein zur Kontrolle der aeroben Atmung (ArcA) herunterreguliert, insbesondere unter anaeroben Bedingungen. Wenn E. coli in einem sauren Medium wächst, erhöht es nicht nur die MDH-Aktivität, sondern auch die Aktivitäten der Isocitratdehydrogenase und der Succinatdehydrogenase.