إنزيم مالات سينثاز

إنزيم مالات سينثاز ( EC 2.3.3.9 ) هو إنزيم يحفز التفاعل الكيميائي

حمض الجليوكسيليك

+

 

أسيتيل-CoA

 

H ₂ O

 

 

 

 

( حمض الماليك S)

+ مرافق الإنزيم أ

 

الركائز الثلاث لهذا الإنزيم هي حمض الجليوكسيليك، وأسيتيل-CoA، والماء. أما نواتج هذا الإنزيم فهي المتصاوغ المرآتي ( S ) لحمض الماليك، والإنزيم المساعد A. ويشارك هذا الإنزيم في استقلاب البيروفات، واستقلاب الجليوكسيلات، واستقلاب ثنائي الكربوكسيلات .

ينتمي هذا الإنزيم إلى عائلة الترانسفيرازات ، وتحديدًا أسيل ترانسفيرازات التي تحول مجموعات الأسيل إلى مجموعات ألكيل عند نقلها. الاسم النظامي لهذه الفئة من الإنزيمات هو أسيتيل-CoA: جليوكسيلات C-أسيتيل ترانسفيراز (محلل الثيوإستر، مكون الكربوكسي ميثيل). ومن الأسماء الشائعة الأخرى: L-مالات جليوكسيلات-لياز (أسيتيل CoA)، جليوكسيلات ترانس أسيتيلاز، جليوكسيلات ترانس أسيتاز، جليوكسيليك ترانس أسيتاز، إنزيم تكثيف الماليت، مالات سينثيتاز، ماليك سينثيتاز، وإنزيم تكثيف الماليك.

تنقسم إنزيمات مالات سينثاز إلى عائلتين رئيسيتين، هما النظيران A و G. النظير G أحادي الوحدة بحجم 80 كيلو دالتون تقريبًا، ويوجد حصريًا في البكتيريا . ^{[ 2 ]} أما النظير A فيبلغ حجمه 65 كيلو دالتون تقريبًا لكل وحدة فرعية، ويمكنه تكوين متجانسات متعددة في حقيقيات النوى . ^{[ 3 ]} يحتوي هذا الإنزيم على برميل TIM مركزي محصور بين مشبك حلزوني ألفا طرفي N ونطاق ألفا/بيتا ناتج عن إدخالين في تسلسل برميل TIM . وينتهي الإنزيم بسدادة حلزونية خماسية طرفية C. يقع الموقع النشط، حيث يرتبط أسيتيل-CoA وجليوكسيلات بالإنزيم ، بين برميل TIM والسدادة الطرفية C. ^{[ 4 ]} عند الارتباط، يتخذ جزيء أسيتيل-CoA شكل حرف J داخل جيب الارتباط، وذلك عبر رابطة هيدروجينية داخلية بين ذرة النيتروجين N7 في حلقة الأدينين ومجموعة هيدروكسيل على ذيل البانتثين . ^{[ 4 ]} بالإضافة إلى ذلك، يرتبط أيون المغنيسيوم الأساسي داخل الموقع النشط مع الجليوكسيلات ، وحمض الجلوتاميك 427، وحمض الأسبارتيك 455، وجزيئين من الماء. ^{[ 4 ]} الأحماض الأمينية المتفاعلة مع أسيتيل-CoA عند الارتباط محفوظة بدرجة عالية. ^{[ 2 ]} يكون تطابق التسلسل عاليًا داخل كل فئة من الأشكال المتماثلة، ولكنه ينخفض ​​بين الفئتين إلى حوالي 15%. ^{[ 5 ]} لا يُلاحظ وجود نطاق ألفا/بيتا، الذي لا يبدو أن له وظيفة واضحة، في الشكل المتماثل A. ^{[ 6 ]}

تعتمد آلية عمل إنزيم مالات سينثاز على تفاعل ألدول يتبعه تحلل ثيوإستر . في البداية، يعمل الأسبارتات 631 كقاعدة محفزة، حيث ينتزع بروتونًا من ذرة الكربون ألفا في أسيتيل-CoA ، مُكَوِّنًا إينولات مُثَبَّتة بواسطة الأرجينين 338. ^{[ 6 ]} تُعتبر هذه الخطوة هي الخطوة المحددة لمعدل التفاعل. ^{[ 7 ]} بعد ذلك، يعمل الإينولات المُتَكَوِّن حديثًا ككاشف نيوكليوفيلي يهاجم مجموعة الألدهيد في الجليوكسيلات ، مُضفيًا شحنة سالبة على ذرة الأكسجين ، والتي تُثَبَّت بواسطة الأرجينين 338 وأيون المغنيسيوم المُنسِّق . ثم يخضع وسيط ماليل-CoA هذا للتحلل المائي عند جزء أسيل-CoA ، مُوَلِّدًا أنيون الكربوكسيلات . ^{[ 2 ]} في النهاية ، يُحرِّر الإنزيم المالات والإنزيم المساعد A.

تستخدم الكائنات الهوائية دورة حمض الستريك ( المعروفة أيضًا بدورة حمض الستريك أو دورة كريبس) لإنتاج الطاقة عبر أكسدة أسيتيل مرافق الإنزيم-أ ، المشتق من البيروفات (أحد نواتج تحلل الجلوكوز ). تستقبل دورة حمض الستريك أسيتيل مرافق الإنزيم-أ وتحوله إلى ثاني أكسيد الكربون . توجد دورة مشابهة، تُسمى دورة الجليوكسيلات ، في العديد من البكتيريا والنباتات. في النباتات، تحدث دورة الجليوكسيلات في الجليوكسيسومات . ^{[ 8 ]} في هذه الدورة، يتجاوز إنزيم إيزوسيترات لياز وإنزيم مالات سينثاز خطوات إزالة الكربوكسيل في دورة حمض الستريك. بعبارة أخرى، يعمل إنزيم مالات سينثاز بالتنسيق مع إنزيم إيزوسيترات لياز في دورة الجليوكسيلات لتجاوز خطوتين من خطوات الأكسدة في دورة كريبس ، مما يسمح بإدخال الكربون من الأسيتات أو الأحماض الدهنية في العديد من الكائنات الدقيقة. ^{[ ٩ ]} يعمل هذان الإنزيمان معًا على إنتاج السكسينات (الذي يخرج من الدورة ليُستخدم في تخليق السكريات) والمالات (الذي يبقى في دورة الجليوكسيلات). خلال هذه العملية، يُستخدم أسيتيل-CoA والماء كمواد أساسية. ونتيجةً لذلك، لا تفقد الخلية جزيئين من ثاني أكسيد الكربون كما هو الحال في دورة كريبس . تسمح دورة الجليوكسيلات، التي يُسهّلها إنزيم مالات سينثاز وإنزيم إيزوسيترات لياز، للنباتات والبكتيريا بالبقاء على أسيتيل-CoA أو مركبات أخرى ثنائية الكربون. على سبيل المثال، تستهلك يوجلينا جراسيليس ، وهي طحلب حقيقي النواة وحيد الخلية ، الإيثانول لتكوين أسيتيل-CoA، ومن ثم الكربوهيدرات . ^{[ ١٠ ]} في النباتات النابتة ، تسمح دورة الجليوكسيلات بتحويل الدهون المخزنة إلى كربوهيدرات داخل الجليوكسيسومات . ^{[ ١١ ]}

يوجد إنزيم مالات سينثاز على شكل ثماني وحدات فرعية متطابقة (يبلغ وزن كل منها حوالي 60 كيلو دالتون) في بعض النباتات، بما في ذلك الذرة. ويوجد على شكل رباعي متجانس في فطر الكانديدا ، وثنائي متجانس في البكتيريا الحقيقية . يندمج إنزيم مالات سينثاز مع الطرف الكربوكسيلي لإنزيم إيزوسيترات لياز في دودة C. elegans ، مما ينتج عنه بروتين واحد ثنائي الوظيفة. على الرغم من عدم توفر معلومات كافية حاليًا عن تسلسل الحمض النووي لتحديد التاريخ التطوري الدقيق لإنزيم مالات سينثاز، إلا أن تسلسلات النباتات والفطريات ودودة C. elegans متميزة ولا تُظهر أي نظائر من البكتيريا القديمة . ^{[ 12 ]}

تقليديًا، تُوصف إنزيمات مالات سينثاز في البكتيريا كجزء من دورة الجليوكسيلات، ولم يُبلغ عن نشاط مالات سينثاز في بروتين بشري قبل دراسة ستريتماتر وآخرون. في هذه الدراسة، وُجد أن CLYBL إنزيم ميتوكوندري بشري ذو نشاط مالات سينثاز. يوجد هذا الإنزيم في العديد من الكائنات حقيقية النواة ، وهو محفوظ في البكتيريا. يختلف CLYBL عن إنزيمات مالات سينثاز الأخرى في افتقاره لجزء كبير من النطاق الطرفي الكربوكسيلي، ويُظهر نشاطًا وكفاءة نوعية أقل. ^{[ 13 ]} يرتبط CLYBL بمسار استقلاب فيتامين B12 لأنه يُعبر عنه بشكل مشترك قوي مع MUT وMMAA وMMAB، وهي ثلاثة أعضاء في مسار B12 الميتوكوندري. ^{[ 13 ]} علاوة على ذلك، يرتبط تعدد الأشكال الذي يؤدي إلى فقدان بروتين CLYBL بانخفاض مستويات B12 في بلازما الدم البشري. ^{[ 13 ]} على الرغم من أن الآلية الدقيقة لمشاركة CLYBL في استقلاب فيتامين ب12 غير مفهومة تمامًا، يُعتقد أنها تُحوّل سيتراماليل-CoA إلى بيروفات وأسيتيل-CoA. وبدون هذا التحويل، يتراكم إيتاكونيل-CoA، وهو طليعة سيتراماليل-CoA، في الخلية، مما يؤدي إلى تعطيل فيتامين ب12. ويُثبّط هذا التعطيل دورة الميثيونين، مما يؤدي إلى انخفاض استقلاب السيرين والجليسين والكربون الأحادي والفولات . ^{[ 14 ] [ 15 ]}

نظرًا لأن دورة الجليوكسيلات تحدث في البكتيريا والفطريات، فإن دراسة آليات إنزيم مالات سينثاز (وكذلك إنزيم إيزوسيترات لياز) تُعدّ مهمة لفهم مسببات الأمراض لدى الإنسان والحيوان والنبات . ويمكن لدراسة إنزيم مالات سينثاز أن تُسلط الضوء على المسارات الأيضية التي تسمح لمسببات الأمراض بالبقاء داخل العائل، بالإضافة إلى توضيح العلاجات الممكنة. ^{[ 16 ]} وقد أُجريت العديد من الدراسات على نشاط إنزيم مالات سينثاز في مسببات الأمراض، بما في ذلك المتفطرة السلية ، والزائفة الزنجارية ، والبروسيلا الملتية ، والإشريكية القولونية .

اعتبارًا من أوائل عام 2018، تم حل العديد من الهياكل لإنزيمات مالات سينثاز، بما في ذلك تلك التي تحمل رموز الوصول PDB التالية: 2GQ3 ، 1D8C ، 3OYX ، 3PUG ، 5TAO ، 5H8M ، 2JQX ، 1P7T ، و 1Y8B . ^{[ 25 ]}