苹果酸脱氢酶的应用

背景及概述^[1][2]

苹果酸脱氢酶(MDH)属氧化还原酶类，EC1.1.1.37。催化苹果酸氧化脱氢生成草酰乙酸的可逆反应。人体组织中MDH有两型同工酶，即存在于线粒体的m-MDH和存在于细胞质的c-MDH。m-MDH在线粒体主要催化苹果酸脱氢(氧化)，系三羧酸循环中的重要酶系之一，对体内营养物质的彻底氧化或相互转变均起重要作用；c-MDH定位于胞液，主要催化草酰乙酸加氢(还原)，是苹果酸穿梭系统保证胞液中糖酵解生成的NADH进入线粒体彻底氧化产能的重要酶类。MDH在心肌、骨骼肌和肾含量最丰富。正常参考范围：分光光度法：12.5～50.0mIU。血清MDH升高见于：心肌梗死初期，一般可超过正常参考值2～3倍以上，10～14d恢复正常；病毒性肝炎初期和病情极期，患者血清MDH总活性和m-MDH的升高幅度与病情的严重性相关；另外还见于恶性肿瘤肝转移、创伤性休克、肾脏疾病、类风湿性关节炎及血液系统疾病等。新生儿血清MDH活性可达成人正常参考值上限的2倍；妊娠期血清升高。

结构^[2]

1.序列比较

MDHs的氨基酸序列将其主要分为两个亚类：一些细菌的MDHs与真核细胞线粒体MDHs(mitMDH)的氨基酸序列高度同源，归为一个亚类，如EcMDH与猪mitMDH和酵母mitMDH一级结构的一致性为58.3%及47.9%；其它细菌的MDHs，如嗜温细菌MDH(ThermusflavusMDH，TfMDH)则与真核细胞叶MDHs(chlMDH)和细胞质MDHs(cyMDH)的氨基酸序列更加相似，归为另一个亚类。MDHs存在各种形式的同工酶，不同来源的MDHs氨基酸序列关系很复杂。氨基酸序列对比显示动植物细胞质MDH和细菌MDH的氨基酸序列相似性为48% ～ 67%。而且同一细胞器的MDHs在物种间的相似性超过了不同细胞器来源的MDHs在物种内的相似性，如大米的cyMDH与人、细菌的cyMDH的氨基酸序列同源性分别是59%和52%，但是大米的cyMDH和大米乙醛酸体MDH(gMDH)的氨基酸序列相似性只有24%，而猪mitMDH和猪cyMDH的序列相似性只有约20%。这表明在物种分化之前已经形成了不同种类的MDH同工酶。

2.亚基组成及活性中心

MDHs为同源二聚体或四聚体，目前发现的真核生物MDHs都是二聚体，如猪心cyMDH和大米的cyMDH。大肠杆菌的MDH是二聚体，但芽孢杆菌类MDHs多为四聚体，如枯草杆菌和嗜热脂肪芽孢杆菌的MDH。NAD-MDHs亚基分子在32 ～ 37 kDa之间，NADP-MDHs亚基分子量约42 kDa。不同来源的MDH的晶体结构显示，尽管其氨基酸序列的同源性不高，但是其空间结构上却有很多相似处，如重要的二级结构元件、辅酶结合位点、起催化作用的关键氨基酸等。MDHs的每个亚基包含结构性和功能性的两个结构域，NAD结合结构域占据着N-端，覆盖了分子的一半，包含着一个平行的β-折叠结构(Rossman折叠模体)。核心的二核苷酸结合结构由4个β-折叠和一个α-螺旋组成。MDHs的C-端结构域包含底物结合部位和催化必须的氨基酸残基。酶的活性中心位于两个结构域之间的裂缝中。

小鼠cyMDH的结构显示，NAD-MDHs通常包含N-端的NAD结合区、催化区及C-端尾区三个结构域，前两者构成MDH的活性中心。在NAD-MDHs的催化区中，Asp和His残基是核心氨基酸，如Asp-150 和His-177是构成EcMDH活性位点的重要氨基酸；Asp-152和His-180 是猪心cyMDH催化区中的关键氨基酸。它们通过氢键形成His-Asp离子对，在催化过程中作为质子中转系统，这也在一定程度上解释了MDHs与NADH的结合比其与NAD的结合更稳定些。而且His中的咪唑环、烟酰胺环以及Asp的羧基部分的相对位置对于MDHs的催化起着关键性作用。研究表明包括MDHs在内的所有的2 -羟酸脱氢酶中都存在一个His-Asp离子对，它作为质子中转系统，催化时要求与2-羟基集团正确定位，形成活性区域的阴离子空穴，以容纳柠檬酸盐、小的带电阴离子如硫酸盐。

3.辅酶特异性及底物特异性

NAD-MDHs和NADP-MDHs的催化部位及辅酶结合部位的同源性很高。Asp-53对于MDH的辅酶特异性至关重要，它在NAD-MDHs中高度保守，而在玉米等植物叶绿体NADP-MDH中，该位置的氨基酸都为Gly。基因突变实验表明，MDHs的辅酶特异性仅由几个高度保守的氨基酸决定。Takeo等人构建了嗜温细菌TfMDH的两种突变体酶EX3 和EX7。EX3 是将TfMDH中的第41、42、45 位氨基酸突变为叶绿体NADP-MDH中的对应氨基酸Gly、Ser和Ser。EX7是将41到47位氨基酸Glu-Ile-Pro-Gln-Ala-Met-Lys突变为叶绿体NADP-MDH中对应的Gly-Ser-Glu-Arg-Ser-Phe-Gln。结构两种突变体酶都实现了NAD+向NADP+辅酶特异性的转变。同理将高粱叶绿体NADP-MDH的第84、85、87、88位氨基酸替换成TfMDH中对应的Glu-Ile-Glu-Ala，突变体酶的动力学参数也发生了不同程度的改变。来自嗜热脂肪芽胞杆菌的LDH(BacillusstearothermophilusLDH，BsLDH)和EcMDH仅有25%的氨基酸序列一致性，但是两种酶的蛋白质折叠惊人的相似，只是在二级结构上略有微小的差异。在两者的活性中心，只有第102位的关键性残基不同，在BsLDH中是Gln，而在EcMDH中是Arg。Wilks等人将BsLDH的Gln-102突变为Arg-102，结果令人惊讶的将BsLDH转变为高特异性的MDH。然而将EcMDH的Arg-102突变为Gln-102后，突变体酶虽然可以特异的以丙酮酸为底物，但是催化效率很低。

理化特性^[2]

1. 最适pH值和最适温度

MDHs的最适pH值偏碱性，约在8.0左右，如链霉菌(Streptomycesaureofaciens)和大肠杆菌的MDH(E.coliMDH，EcMDH)都在pH值8.1的时候酶活性最高。MDHs的最适反应温度为40 ～ 65℃。如枯草杆菌MDH和猪心肌MDH的最适温度约50℃，嗜热脂肪芽孢杆菌(BacillusstearothermophilusMDH，BsMDH)在65℃有较好的稳定性。在温度趋向两极的情况下，大多数种属的MDHs活力不高，但来自嗜寒细菌(Aquaspilliumarcticum)的MDH(AaMDH)在4℃左右仍然保持较高的活性，嗜热细菌(Thermophilicbacterium)的MDH在90℃仍然可以保持1h左右的活力，这种差异可能是由于活性位点某种残基的偏爱、底物和辅因子电荷的分布以及亚基间离子对的相互作用等原因造成的。

2.热稳定性

EcMDH和枯草杆菌MDH的热稳定性较差。嗜热脂肪芽孢杆菌BsMDH在高温下相当稳定。嗜寒细菌AaMDH不耐热，推测与氢键数目、脯氨酸或甘氨酶分子的数量、位置、及它们的相互作用有关。有分析表明醇类物质对MDHs的热定有一定影响。在低温环境下，甘油是维持MDHs活性的稳定剂，而环多醇和山梨醇能在高温下维持MDHs的活性。这种稳定原理可能是羟基基团和酶分子的相互作用或是醇类减少了介质的介电常数而加强了酶分子的疏水作用，使酶蛋受水分子的影响减少。还有的研究表明，增加二硫键或氢键可以改善MDHs的热稳定性。如嗜热细菌(Chlorobium tepidum)和嗜温细菌(Chlorobium vibrioforme)的MDHs热稳定差异，是由于嗜热细菌MDH的极性残基在亚基之间形成更多的氢键。另外嗜热细菌(Chloroflexusaurantiacus)的MDH含有更多的脯氨酸和丙氨酸残基，能更好的稳定蛋白质骨架结构，同时在二聚体之间，一些带电荷的氨基酸所形成的离子间相互作用有助于蛋白质的热稳定性。

3.金属离子的影响

带各种电荷的离子对MDHs的活性及蛋白质的稳定性影响不同，通过不同金属离子对绿豆MDH的研究表明：K+有激活作用；Mg2 +和Ca2 +对酶活影响不大；Zn2 +、Pb2 +和Cu2 +对酶活有不同程度的抑制作用，其中Cu2 +抑制程度最强，当其浓度为1M时，97%的酶活被抑制。还有来自嗜盐古菌的MDH (HaloarculamarismortuiMDH，HmMDH)，其稳定性受多种离子的影响，当电荷密度高时，阴离子能有效的稳定酶的折叠结构，而阳离子需在低盐浓度下时才能发挥相同的作用。

催化机制^[2]

MDHs催化苹果酸羟基的氢离子定向地转移到NAD(P)+上，实现苹果酸与草酰乙酸之间的可逆转换。MDHs活性部位由一个疏水的空泡组成，它包含了底物和辅酶的结合位点。当形成酶-辅酶-底物三聚体复合物时，蛋白质构象发生改变。在这个变化过程中，复合体外部的一个环掩盖住活性中心以保护底物和重要氨基酸不受溶剂的干扰，而其余的一些起催化作用的氨基酸向底物靠近，同时位于活性中心的His-Asp离子对在反应过程中提供质子。

研究表明MDHs活性区域高度保守的3个Arg决定其催化反应的特异性。当酶与底物接触时，位于移动环侧链的2个Arg与底物相互作用，另一个Arg在底物转化时与其羧基基团的配位键结合，从而稳定新形成的羟基和酮基产物。如猪心cyMDH与底物结合时，酶的Arg-91和Arg-97先固定在活性区的环中，His-186首先与底物C2的羰基氧原子结合，接着Arg-161的氢键直接结合到底物C1的羧基上，后Arg-97也结合到底物C2的羰基氧原子，从而完成了与底物结合的主要过程。在整个反应中，步提供还原底物所需要的质子，第二步协助底物定向和定位，最后一步是极化底物的羰基基团而使C2上产生阳性电荷，从而激发NADH产生带一对电子的质子。同样在EcMDH催化反应时，Arg-81、Arg-87、Arg-153在稳定和定位底物中发挥重要作用。首先Arg-81和Arg-87定位在一个环上，向活性区域弯曲并形成氢键与底物的4 -羧基和2 -羧基或酮相互作用，之后Arg-153由氢键结合在底物1-羧基上，从而完成与底物结合过程。

应用^[2]

苹果酸脱氢酶(malatedehydrogenase，MDH)存在于所有的生物体中，是生物糖代谢的关键酶之一，能催化苹果酸与草酰乙酸之间的可逆转换。MDH在细胞的多种生理活动中起着重要的作用，包括线粒体的能量代谢以及植物的活性氧代谢等，具有较高的理论研究和经济利用意义。如MDH同工酶参与不同的细胞生理代谢途径：cyMDH与丙酮酸羧化支路相联，与非自养性的二氧化碳固定有关；mitMDH是TCA循环中的关键酶，提供能量；微体MDH与光呼吸或乙醛酸循环有关；叶绿体MDH主要在光合作用中固定二氧化碳。在农业生产中，酸性土壤中的铝毒是农作物生长的主要限制因子。研究发现，为了提高植物对土壤中磷元素的吸收，通过遗传工程进行植物分子改良育种，如在苜蓿中超量表达MDH基因后，增强转基因苜蓿对有机酸的吸收，从而提高适应酸性土壤和对付铝毒的耐受性。然而当MDH高表达的时候，植物有机酸含量的增多可以增加细胞的渗透压并且可以螯合除去部分离子，从而改善植物对盐的耐受性。最近有人提出，利用嗜盐细菌MDH的转基因技术来提高农作物的耐盐性，如盐生杜氏藻D.salina和D.bardwil是迄今为止发现的最耐盐真核生物，通过对它们的MDH基因克隆和序列的分析，可以为植物的耐盐性研究奠定基础。除此之外，在番茄F1 杂交种中，利用电泳检测MDH同工酶酶谱之间的差异来鉴定的杂交种的纯度，成为种子生产中一种新的省时省力的检测方法，有利于鉴别高产，抗病，抗逆优势的杂交种，这为农业生产带来较大的经济效益。浙江大学刘艳荷等人通过对西方蜜蜂10个蜂种的MDHII等位基因频率和蜂蜜、蜂王浆、蜂花粉、蜂蜡、蜂毒产量的研究，分析3个等位基因频率与这5个经济性状的相关性，认为MDHII等位基因频率将可能成为蜜蜂生产品质的生化遗传标记。

MDH在医学方面也引起越来越多的关注，如利用基因工程疫苗预防人体带绦虫病已是备受关注的研究方向，通过牛带绦虫亚洲亚种MDH基因的生物信息学分析，预测到胞浆型MDH是一个潜在的诊断抗原，这为带绦虫在诊断、药物及疫苗研究中的应用前景提供了重要的线索。后又实验证明其可在原核表达系统中获得具有免疫学活性的高效表达，这为进一步研究该蛋白的功能奠定了基础。同时通过多种重组疫苗联合免疫以求增大疫苗保护效果也成为今后研制绦虫疫苗的主要方向。另外对华虫睾吸虫cyMDH活性位点的氨基酸突变研究，为进一步了解及治疗这种流行性疾病奠定了基础。同样对细粒棘球蚴中国大陆mitMDH的功能研究，有助于重组疫苗的研制，为预防该寄生虫病提供了可能。

利用MDH底物专一性，还可将其用于拆分D，L-苹果酸得到D-苹果酸。D-苹果酸是一种非天然有机酸，是一种极其重要的4 -碳有机手性源，主要应用于手性药物、手性添加剂、手性助剂等领域。近年来全世界对D-苹果酸的需求量增加，从而引起了一些国家对D-苹果酸的研究兴趣。利用这种微生物转化法生产的苹果酸，耗能低，清洁环保，是制药行业合成泛酸、信息素及生物碱等手性物质的手性源。

临床意义^[3]

血清MDH活性升高常见于如下疾病：

1. 肝病 在病毒性肝炎发病初期，患者血清总MDH活性和m-MDH的升高幅度与病情严重 程度呈正相关，但当肝组织出现坏死时，血清c-MDH升高更为明显，提示患者预后不良。原发性肝癌、肝转移癌和其他中毒性肝损伤时，血清MDH总活性也会有不同程度的升高。

2. 急性心肌梗死：急性心肌梗死患者血清MDH活性升高明显，可达正常参考值上限的3倍 以上，变化时程为： 24～48h达高峰，10～14d恢复正常。因此，MDH与CK、LDH、AST联合检 测有助于诊断心肌梗死。

3. 其他疾病：肾脏疾病、类风湿和风湿性疾病、创伤性休克、血液系统疾病等，也可见血清 MDH活性不同程度的升高。

主要参考资料

[1] 临床肝病实验诊断学

[2] 诊断学大辞典

[3] 苹果酸脱氢酶的结构及功能