MDH

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MDHは、主にNAD⁺/NADHを補因子として使用して、リンゴ酸とオキサロ酢酸の相互変換を触媒する酵素です。標準熱力学条件下でオキサロ酢酸を形成する反応が不利であるにもかかわらず、MDHは依然としてTCAサイクルの酸化（リンゴ酸からオキサロ酢酸への変換）に主に関与しています。したがって、この酵素は細胞内で他の機能を持つと提案されています。MDHは、酸化ストレスに抵抗するために還元TCAサイクルに参加し、代謝経路を通じて基質の輸送にも関与することができます。嫌気条件下で成長したE. coliのMDHは、還元TCAサイクルに参加し（オキサロ酢酸をリンゴ酸に変換）、コハク酸を生成します。さらに、オキサロ酢酸はフリーラジカルに結合するため、酸化ストレスからの保護にも関与します。Pseudomonas fluorescensのMDH、リンゴ酸酵素、ピルビン酸カルボキシラーゼは、抗酸化物質NADHを抗酸化物質NADPHに変換する抗酸化経路に関与しています。

図1. MDHのタンパク質構造。

はじめに

いくつかの微生物におけるMDHタンパク質は、基質のチャネル化を促進するために他のTCAサイクル酵素と相互作用することができます。たとえば、Bacillus subtilisでは、MDHが2つのTCAサイクル酵素（イソクエン酸脱水素酵素とクエン酸合成酵素）と相互作用して代謝物を形成します。また、E. coliのMDHが呼吸鎖の複合体Iと相互作用してNADHを直接転送することが報告されています。さまざまな細胞小器官でいくつかの真核生物のMDHアイソフォームが見つかっており、これらは複数の代謝経路に関与しています。細菌では、MDHアイソフォームはその補因子特異性またはサブユニットの数に応じて分類されます。M. thermophilusには2種類のMDHアイソフォームがあります。そのうちの1つはNAD⁺に特異的で、リンゴ酸とオキサロ酢酸の相互変換を触媒します。もう1つのアイソフォームはNAD⁺またはNADP⁺を使用できますが、オキサロ酢酸の還元のみを触媒します。Bacillus sphaericus 2R、palustris f-8ptおよびBacillus cereus D-402の2つのMDHサブタイプが特定されています。二量体アイソフォームはTCAサイクルに参加し、四量体アイソフォームはグリオキシル酸サイクルに参加します。

リンゴ酸脱水素酵素の機能

MDHは、主にNAD⁺/NADHを補因子として使用して、リンゴ酸とオキサロ酢酸の相互変換を触媒する酵素です。標準熱力学条件下でオキサロ酢酸を形成する反応が不利であるにもかかわらず、MDHは依然としてTCAサイクルの酸化（リンゴ酸からオキサロ酢酸への変換）に主に関与しています。この理由から、この酵素は細胞内で他の機能を持つと提案されています。MDHは、酸化ストレスに抵抗するために還元TCAサイクルに参加し、代謝経路を通じて基質の輸送にも関与することができます。嫌気条件下で成長したE. coliのMDHは、還元TCAサイクルに参加し（オキサロ酢酸をリンゴ酸に変換）、コハク酸を生成します。さらに、オキサロ酢酸はフリーラジカルに結合するため、酸化ストレスからの保護にも関与します。Pseudomonas fluorescensのMDH、リンゴ酸酵素、ピルビン酸カルボキシラーゼは、抗酸化物質NADHを抗酸化物質NADPHに変換する抗酸化経路に関与しています。

図2. NAD+の還元を通じてリンゴ酸脱水素酵素が触媒するリンゴ酸の酸化を示す一般的な反応。

調節

研究により、過剰なオキサロ酢酸とNADHがMDH活性を強く抑制することが示されています。場合によっては、高濃度のリンゴ酸がオキサロ酢酸の還元を抑制します。高濃度のオキサレート酢酸も古細菌、Rhodobacter haloduransおよびRhodosporidiumのMDHを抑制しました。NADHはMyceliophthora thermophila、Aspergillus flavusおよびE. coliでも同様の抑制効果を持っています。

MDH遺伝子の転写調節

mdh遺伝子の発現は、いくつかの生物における炭素カタボリズムによって抑制されます。好熱性細菌の中で、MDHはグルコースの代わりにリンゴ酸を炭素源として成長するときに、より高い発現レベルを持ちます。さらに、好気条件下では、ピルビン酸を発現したE. coliのmdh含量はグルコースの4倍高くなります。ブドウ球菌がグルコースで成長すると、発現は一定のままですが、フルクトースで成長すると発現が誘導されます。mdhの発現は転写因子によっても調節されることがあります。E. coliでは、発現は好気呼吸制御タンパク質（ArcA）によってダウンレギュレーションされ、特に嫌気条件下で顕著です。E. coliが酸性培地で成長すると、MDH活性が増加するだけでなく、イソクエン酸脱水素酵素およびコハク酸脱水素酵素の活性も増加します。