La malato deshidrogenasa ( EC 1.1.1.37 ) ( MDH ) es una enzima que cataliza reversiblemente la oxidación del malato a oxaloacetato mediante la reducción de NAD + a NADH. Esta reacción es parte de muchas vías metabólicas , incluido el ciclo del ácido cítrico . Otras malato deshidrogenasas , que tienen otros números de CE y catalizan otras reacciones oxidantes del malato, tienen nombres calificados como malato deshidrogenasa (NADP + ) .
Malato deshidrogenasa | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
CE no. | 1.1.1.37 | |||||||
No CAS. | 9001-64-3 | |||||||
Bases de datos | ||||||||
IntEnz | Vista IntEnz | |||||||
BRENDA | Entrada BRENDA | |||||||
FÁCIL | NiceZyme vista | |||||||
KEGG | Entrada KEGG | |||||||
MetaCyc | camino metabólico | |||||||
PRIAM | perfil | |||||||
Estructuras PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
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Isoenzimas
Existen varias isoenzimas de malato deshidrogenasa. Hay dos isoformas principales en las células eucariotas. [1] Uno se encuentra en la matriz mitocondrial, participando como una enzima clave en el ciclo del ácido cítrico que cataliza la oxidación del malato. El otro se encuentra en el citoplasma , ayudando a la lanzadera malato-aspartato a intercambiar equivalentes reductores para que el malato pueda pasar a través de la membrana mitocondrial para transformarse en oxaloacetato para otros procesos celulares. [2]
Los seres humanos y la mayoría de los demás mamíferos expresan las siguientes dos malato deshidrogenasas:
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Familias de proteínas
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La familia de la malato deshidrogenasa contiene L-lactato deshidrogenasa y L-2-hidroxiisocaproato deshidrogenasas . La L-lactato deshidrogenasas cataliza la conversión de L-lactato en piruvato , el último paso de la glucólisis anaeróbica. El extremo N es un pliegue de unión a NAD de Rossmann y el extremo C es un pliegue alfa + beta inusual. [3] [4]
Evolución y estructura
En la mayoría de los organismos, la malato deshidrogenasa (MDH) existe como una molécula homodimérica y está estrechamente relacionada con la lactato deshidrogenasa (LDH) en su estructura. Es una gran molécula de proteína con subunidades que pesan entre 30 y 35 kDa. [5] Según las secuencias de aminoácidos, parece que la MDH se ha dividido en dos grupos filogenéticos principales que se parecen mucho a las isoenzimas mitocondriales o las isoenzimas citoplásmicas / cloroplasto. [6] Debido a que la identidad de secuencia de la malato deshidrogenasa en las mitocondrias está más estrechamente relacionada con sus ancestros procarióticos en comparación con la isoenzima citoplasmática, la teoría de que las mitocondrias y los cloroplastos se desarrollaron mediante endosimbiosis es plausible. [7] Las secuencias de aminoácidos de archaeal MDH son más similares a las de LDH que a las de MDH de otros organismos. Esto indica que existe un posible vínculo evolutivo entre la lactato deshidrogenasa y la malato deshidrogenasa. [8]
Cada subunidad del dímero de malato deshidrogenasa tiene dos dominios distintos que varían en estructura y funcionalidad. Una estructura de lámina β paralela constituye el dominio de unión de NAD +, mientras que cuatro láminas β y una hélice α comprenden el sitio de unión de NAD + central . Las subunidades se mantienen juntas a través de extensas interacciones hidrófobas y de enlaces de hidrógeno . [9]
También se ha demostrado que la malato deshidrogenasa tiene una región de bucle móvil que desempeña un papel crucial en la actividad catalítica de la enzima. Los estudios han demostrado que el cambio conformacional de esta región de bucle de la conformación abierta a la conformación cerrada después de la unión del sustrato mejora la catálisis de MDH mediante la protección del sustrato y los aminoácidos catalíticos del solvente. Los estudios también han indicado que esta región de bucle está altamente conservada en malato deshidrogenasa. [6]
Mecanismo
El sitio activo de la malato deshidrogenasa es una cavidad hidrófoba dentro del complejo proteico que tiene sitios de unión específicos para el sustrato y su coenzima , NAD + . En su estado activo, MDH sufre un cambio conformacional que encierra el sustrato para minimizar la exposición al solvente y colocar residuos clave más cerca del sustrato. [6] Los tres residuos en particular que comprenden una tríada catalítica son la histidina (His-195), el aspartato (Asp-168), los cuales trabajan juntos como un sistema de transferencia de protones, y las argininas (Arg-102, Arg-109, Arg-171), que aseguran el sustrato. [10]
Mecánicamente, la malato deshidrogenasa cataliza la oxidación del grupo hidroxilo del malato utilizando NAD + como aceptor de electrones. Esta etapa de oxidación da como resultado la eliminación de un protón y un ion hidruro del sustrato. NAD + recibe el ion hidruro (específicamente, el ion hidruro se transfiere al anillo de nicotinamida del NAD + ) y se reduce a NADH mientras que, al mismo tiempo, el residuo His-195 de la enzima acepta el protón. [11] El residuo His-195 cargado positivamente, que participa en la catálisis básica del sustrato, se estabiliza mediante el residuo Asp-168 cargado negativamente adyacente. Esta estabilización electrostática ayuda a facilitar la transferencia del protón. [1] Arg-102, Arg-109 y Arg-171 (que están protonados y, por lo tanto, cargados positivamente) participan en la catálisis electrostática y ayudan a unir los carboxilatos cargados negativamente en el sustrato. Además, los residuos de arginina en la enzima proporcionan especificidad de sustrato adicional y unión a través de enlaces de hidrógeno entre la cadena lateral de guanidinio de los residuos de aminoácidos de arginina y los carboxilatos del sustrato. [12]
Los estudios también han identificado un bucle móvil en la malato deshidrogenasa que participa en la actividad catalítica de la enzima. El bucle sufre un cambio conformacional para proteger el sustrato y los aminoácidos catalíticos del disolvente en respuesta a la unión del complejo malato deshidrogenasa: coenzima al sustrato. Este giro del bucle hacia arriba para cubrir el sitio activo también promueve una interacción mejorada de los residuos amino catalíticamente importantes de la enzima con el sustrato. Además, se ha demostrado que el movimiento del bucle se correlaciona con el paso que determina la velocidad de la enzima. [13]
Función
Reacción
Las malato deshidrogenasas catalizan la interconversión del malato en oxaloacetato. En el ciclo del ácido cítrico, la malato deshidrogenasa es la encargada de catalizar la regeneración del oxalacetato. Esta reacción se produce mediante la oxidación del grupo hidroxilo del malato y la reducción del NAD + . El mecanismo de transferencia del ion hidruro a NAD + se lleva a cabo en un mecanismo similar al observado en la lactato deshidrogenasa y la alcohol deshidrogenasa. El ΔG '° de malato deshidrogenasa es +29,7 kJ / mol y el ΔG (en la célula) es 0 kJ / mol. [11]
Otras vías
La malato deshidrogenasa también participa en la gluconeogénesis , la síntesis de glucosa a partir de moléculas más pequeñas. El piruvato carboxilasa actúa sobre el piruvato en las mitocondrias para formar oxaloacetato, un intermedio del ciclo del ácido cítrico . Para sacar el oxalacetato de las mitocondrias, la malato deshidrogenasa lo reduce a malato y luego atraviesa la membrana mitocondrial interna. Una vez en el citosol, el malato se oxida de nuevo a oxalacetato por la malato deshidrogenasa citosólica. Finalmente, la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK) convierte el oxalacetato en fosfoenolpiruvato (PEP). [14]
Cinética
Los estudios cinéticos muestran que la actividad enzimática de la malato deshidrogenasa está ordenada. El cofactor NAD + / NADH se une a la enzima antes que al sustrato. [15] El valor de Km para el malato, es decir, la concentración a la que la actividad enzimática es la mitad del máximo, es 2 mM. El valor de Kcat es 259,2 s −1 . [dieciséis]
Efecto del pH sobre la actividad catalítica
Además, los niveles de pH controlan la especificidad de la unión del sustrato por la malato deshidrogenasa debido a la transferencia de protones en el mecanismo catalítico. [17] Se ha sugerido que un resto de histidina con un valor de pK de 7,5 desempeña un papel en la dependencia del pH de la enzima. Los estudios han indicado que la unión del enol forma oxalacetato con la malato deshidrogenasa: el complejo NADH se forma mucho más rápidamente a valores de pH más altos. [12] Además, la unión del L-malato a la malato deshidrogenasa se promueve en condiciones alcalinas. En consecuencia, la forma no protonada malato deshidrogenasa se une preferentemente al L-malato y la forma enol del oxalacetato. Por el contrario, se ha descubierto que el D-malato, el hidroximalonato y la forma ceto de oxalacetato se unen exclusivamente a la forma protonada de la enzima. Específicamente, cuando la histidina está protonada, el residuo de His puede formar un enlace de hidrógeno con el oxígeno del carbonilo del sustrato, lo que aleja la densidad de electrones del oxígeno y lo hace más susceptible al ataque nucleófilo por hidruro. Esto promueve la unión de malato deshidrogenasa a estos sustratos. Como resultado, a valores de pH más bajos, la malato deshidrogenasa se une preferentemente a D-malato, hidroximimalonato y cetooxaloacetato. [18]
Regulación alostérica
Debido a que la malato deshidrogenasa está estrechamente ligada al ciclo del ácido cítrico, los estudios han propuesto y demostrado experimentalmente que el citrato es un regulador alostérico de la malato deshidrogenasa dependiendo de las concentraciones de L-malato y NAD + . Esto puede deberse a las desviaciones observadas en el comportamiento cinético de la malato deshidrogenasa a altas concentraciones de oxalacetato y L-malato. Los experimentos han demostrado que el citrato puede activar e inhibir alostéricamente la actividad enzimática de la malato deshidrogenasa. Se ha demostrado que el citrato inhibe la oxidación del L-malato cuando hay niveles bajos de L-malato y NAD + . Sin embargo, en presencia de altos niveles de malato y NAD + , el citrato puede estimular la producción de oxalacetato. Aunque la malato deshidrogenasa se considera típicamente una enzima reversible, se cree que existe un sitio regulador alostérico en la enzima donde el citrato puede unirse e impulsar el equilibrio de la reacción en cualquier dirección. [19]
También se ha demostrado que el glutamato inhibe la actividad malato deshidrogenasa. Además, se ha demostrado que la alfa cetoglutarato deshidrogenasa puede interactuar con la aspartato aminotransferasa mitocondrial para formar un complejo, que luego puede unirse a la malato deshidrogenasa, formando un complejo ternario que revierte la acción inhibidora de la actividad enzimática de la malato deshidrogenasa por el glutamato. Además, la formación de este complejo permite que el glutamato reaccione con la aminotransferasa sin interferir con la actividad de la malato deshidrogenasa. La formación de este complejo ternario también facilita la liberación de oxalacetato de malato deshidrogenasa a aminotransferasa. Cinéticamente, se ha demostrado que la unión de la malato deshidrogenasa al complejo binario de alfa cetoglutarato deshidrogenasa y aminotranferasa aumenta la velocidad de reacción de la malato deshidrogenasa porque la Km de la malato deshidrogenasa disminuye cuando se une como parte de este complejo. [20]
Mapa de ruta interactivo
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- ^ El mapa de ruta interactivo se puede editar en WikiPathways: "GlycolysisGluconeogenesis_WP534" .
Referencias
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Otras lecturas
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enlaces externos
- Malato + deshidrogenasa en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .