MDH

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MDH（リンゴ酸デヒドロゲナーゼ）は、主としてNAD⁺/NADHを補酵素として用い、リンゴ酸とオキサロ酢酸の相互変換を触媒する酵素である。標準熱力学条件下ではオキサロ酢酸生成反応は不利であるにもかかわらず、MDHは主にTCA回路の酸化反応（リンゴ酸からオキサロ酢酸への変換）に関与している。そのため、本酵素は細胞内で他の機能も担う可能性が提唱されている。MDHは、酸化ストレスに抵抗するための還元的TCA回路に関与し得るほか、代謝経路を介した基質輸送にも関与し得る。嫌気条件下で培養した大腸菌（E. coli）のMDHは、還元的TCA回路（オキサロ酢酸からリンゴ酸への変換）に関与し、コハク酸を産生する。さらに、オキサロ酢酸はフリーラジカルに結合するため、酸化ストレス防御にも関与する。Pseudomonas fluorescens由来MDH、リンゴ酸酵素、ピルビン酸カルボキシラーゼは、抗酸化性NADHを抗酸化性NADPHへ変換する抗酸化経路に関与している。

図1. MDHのタンパク質構造。

序論

一部の微生物におけるMDHタンパク質は、他のTCA回路酵素と相互作用して基質チャネリングを促進し、その結果として活性を増強し得る。例えば、Bacillus subtilisでは、MDHがTCA回路の2つの酵素（イソクエン酸デヒドロゲナーゼおよびクエン酸シンターゼ）と相互作用し、代謝物の形成に関与する。また、大腸菌由来MDHが呼吸鎖の複合体Iと相互作用し、NADHを直接移送することも報告されている。複数の真核生物MDHアイソフォームは異なる細胞小器官に存在し、複数の代謝経路に関与している。細菌では、MDHアイソフォームは補酵素特異性またはサブユニット数に基づいて分類される。M. thermophilusには2種類のMDHアイソフォームが存在する。そのうち一方はNAD⁺特異的で、リンゴ酸とオキサロ酢酸の相互変換を触媒する。もう一方のアイソフォームはNAD⁺またはNADP⁺を利用できるが、オキサロ酢酸の還元反応のみを触媒する。Bacillus sphaericus 2R、palustris f-8pt、およびBacillus cereus D-402では、2つのMDHサブタイプが同定されている。二量体アイソフォームはTCA回路に関与し、四量体アイソフォームはグリオキシル酸回路に関与する。

リンゴ酸デヒドロゲナーゼの機能

MDH（リンゴ酸デヒドロゲナーゼ）は、主としてNAD⁺/NADHを補酵素として用い、リンゴ酸とオキサロ酢酸の相互変換を触媒する酵素である。標準熱力学条件下ではオキサロ酢酸生成反応は不利であるにもかかわらず、MDHは主にTCA回路の酸化反応（リンゴ酸からオキサロ酢酸への変換）に関与している。このため、本酵素は細胞内で他の機能も担う可能性が提唱されている。MDHは、酸化ストレスに抵抗するための還元的TCA回路に関与し得るほか、代謝経路を介した基質輸送にも関与し得る。嫌気条件下で培養した大腸菌（E. coli）のMDHは、還元的TCA回路（オキサロ酢酸からリンゴ酸への変換）に関与し、コハク酸を産生する。さらに、オキサロ酢酸はフリーラジカルに結合するため、酸化ストレス防御にも関与する。Pseudomonas fluorescens由来MDH、リンゴ酸酵素、ピルビン酸カルボキシラーゼは、抗酸化性NADHを抗酸化性NADPHへ変換する抗酸化経路に関与している。

図2. NAD+の還元を介してリンゴ酸の酸化を触媒するリンゴ酸デヒドロゲナーゼの一般反応を示す。

制御

研究により、過剰なオキサロ酢酸およびNADHはMDH活性を強力に阻害することが示されている。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反応を阻害する。高濃度のオキサロ酢酸は、古細菌、Rhodobacter halodurans、およびRhodosporidiumのMDHも阻害した。NADHは、Myceliophthora thermophila、Aspergillus flavus、および大腸菌（E. coli）において同様の阻害効果を示す。

MDH遺伝子の転写制御

mdh遺伝子の発現は、複数の生物において炭素異化（カーボンカタボライト）により抑制される。好熱性細菌では、グルコースではなくリンゴ酸を炭素源として培養した場合に、MDHの発現レベルが高い。さらに、好気条件下では、ピルビン酸で培養した大腸菌におけるmdh含量は、グルコースの場合の4倍高い。ブドウ球菌（Staphylococcus）がグルコースで増殖する場合、発現は一定に保たれる一方、フルクトースで増殖する場合には発現が誘導される。mdh発現は転写因子によっても制御され得る。大腸菌では、好気呼吸制御タンパク質（ArcA）により発現がダウンレギュレーションされ、特に嫌気条件下で顕著である。大腸菌を酸性培地で培養すると、MDH活性が増加するだけでなく、イソクエン酸デヒドロゲナーゼおよびコハク酸デヒドロゲナーゼ活性も増加する。