نازعة هيدروجين الماليت (أوكسالوأسيتات-نازعة الكربوكسيل) (NADP + )

إنزيم نازعة هيدروجين الماليت (أوكسالوأسيتات-ديكاربوكسيلات) (NADP ^{+ )} ( EC 1.1.1.40 ) أو إنزيم NADP-ماليك (NADP-ME) هو إنزيم يحفز التفاعل الكيميائي في وجود أيون معدني ثنائي التكافؤ: ^{[ 1} ]

حمض (S)-الماليك

+ NADP ⁺

 

 

 

H ⁺

 

H ⁺

 

حمض البيروفيك

+ _ثاني أكسيد الكربون + NADPH

 

الركيزتان لهذا الإنزيم هما حمض ( S )-الماليك وفوسفات ثنائي نيوكليوتيد الأدينين والنيكوتيناميد المؤكسد (NADP ⁺ ). أما نواتج هذا الإنزيم فهي حمض البيروفيك وثاني أكسيد الكربون و NADPH المختزل . ^{[ 2 ]}

ينتمي هذا الإنزيم إلى عائلة الأكسيدوريدوكتازات ، وتحديدًا تلك التي تعمل على مجموعة CH-OH في المانح باستخدام NAD ⁺ أو NADP ⁺ كمستقبل. يُعرف هذا النوع من الإنزيمات باسم أكسيدوريدوكتاز (S)-مالات:NADP ⁺ (أوكسالوأسيتات-ديكاربوكسيلات) . يشارك هذا الإنزيم في استقلاب البيروفات وتثبيت الكربون . يُعد إنزيم NADP-ماليك أحد ثلاثة إنزيمات لإزالة الكربوكسيل تُستخدم في آليات تركيز الكربون غير العضوي في نباتات C4 و CAM . الإنزيمان الآخران هما إنزيم NAD-ماليك وكربوكسي كيناز PEP . ^{[ 3 ] [ 4 ]} على الرغم من أن أحد إنزيمات إزالة الكربوكسيل الضوئية الثلاثة غالبًا ما يكون هو السائد، فقد ثبت أيضًا وجود عمل متزامن لجميعها. ^{[ 5 ]}

استنادًا إلى بيانات علم البلورات لإنزيمات الماليك المتماثلة المعتمدة على NADP من أصل ثديي، تم تطوير نموذج ثلاثي الأبعاد لإنزيم NADP-ME في مسار C4 _في النباتات، مع تحديد البقايا الرئيسية المشاركة في ارتباط الركيزة أو التحفيز. يتضمن ارتباط ثنائي النوكليوتيد نمطين غنيين بالجليسين GXGXXG، وأخدودًا كارهًا للماء يحتوي على ستة أحماض أمينية على الأقل، وبقايا سالبة الشحنة في نهاية الشريط βB. ^{[ 6 ] [ 7 ]} يُعد التسلسل الأولي للنمط الأول، ²⁴⁰ GLGDLG ²⁴⁵ ، علامة توافقية لارتباط الفوسفات، مما يدل على مشاركته في ارتباط NADP، بينما يتخذ النمط الآخر الغني بالجليسين طية روسمان الكلاسيكية - وهي أيضًا علامة نموذجية لارتباط العامل المساعد NADP . ^{[ 8 ]} وقد دعمت تجارب الطفرات في إنزيم NADP-ME في الذرة النموذج الحالي. ^{[ 1 ]} أدى استبدال الفالين بالجليسين في أي من منطقتي النمط إلى تعطيل الإنزيم تمامًا، بينما لم يُظهر التحليل الطيفي أي تغييرات جوهرية عن الشكل الطبيعي. تشير البيانات إلى وجود خلل مباشر في بقايا أساسية تُشارك في الارتباط أو التحفيز، بدلًا من بقايا بين المجالات تؤثر على استقرار البنية. بالإضافة إلى ذلك، تبين أن بقايا الأرجينين الأساسية في الموقع 237 تتفاعل مع كل من ركائز الماليت وNADP ⁺ ، مُكَوِّنةً تفاعلات كهروستاتيكية مُواتية مع مجموعة الكربوكسيل سالبة الشحنة ومجموعة الفوسفات على التوالي. لم يُحدد بعد ما إذا كانت هذه البقايا تلعب دورًا في ارتباط الركيزة أو تحديد موضعها للتحفيز. ^{[ 9 ]} يُعتقد أن بقايا الليسين 255 هي قاعدة تحفيزية لتفاعلية الإنزيم؛ ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لتحديد دورها الكيميائي الحيوي بشكل قاطع. ^{[ 1 ]}

في سياق أوسع، توجد إنزيمات الماليك في نطاق واسع من الكائنات حقيقية النواة ، من الفطريات إلى الثدييات، كما أنها تتمركز في مواقع خلوية متعددة، بما في ذلك السيتوسول والميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء . ويتواجد إنزيم C4 NADP-ME تحديدًا في النباتات في _{بلاستيدات} غمد الحزمة الوعائية . ^{[ 1 ]}

أثناء عملية التمثيل الضوئي _{من نوع C4} ، وهي مسار متطور لزيادة تركيزات ثاني أكسيد الكربون الموضعية _في ظل خطر زيادة التنفس الضوئي ، يُحتجز _ثاني أكسيد الكربون داخل خلايا النسيج المتوسط ، ويُثبّت على شكل أوكسالوأسيتات ، ثم يُحوّل إلى مالات ويُطلق داخليًا من خلايا غمد الحزمة لتغذية نشاط إنزيم روبيسكو مباشرةً. ^{[ 10 ]} ويتم إطلاق _ثاني أكسيد الكربون المُثبّت ، الذي يُحفّزه نزع الكربوكسيل من المالات إلى البيروفات ، بواسطة إنزيم الماليك المعتمد على NADP. في الواقع، تتجلى أهمية نشاط إنزيم الماليك المعتمد على NADP في الحفاظ على ثاني أكسيد الكربون _من خلال دراسة أُجريت على نباتات مُعدّلة وراثيًا تُظهر طفرة فقدان وظيفة في هذا الإنزيم. فقد انخفض نشاط إنزيم الماليك في النباتات الحاملة لهذه الطفرة إلى 40% مقارنةً بالنباتات البرية، وحققت انخفاضًا ملحوظًا في امتصاص ثاني أكسيد الكربون _حتى عند مستويات عالية من ثاني أكسيد الكربون بين الخلايا _، مما يُبرز الأهمية البيولوجية لإنزيم الماليك المعتمد على NADP في تنظيم تدفق الكربون نحو دورة كالفن . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

ثبت أن التعبير عن جين NADP-ME يخضع لتنظيم عوامل الإجهاد اللاأحيائي . ففي نباتات التمثيل الضوئي الحمضي (CAM) ، تؤدي ظروف الجفاف إلى إغلاق الثغور بشكل كبير لتجنب فقدان الماء عن طريق النتح ، مما يؤدي إلى نقص _ثاني أكسيد الكربون . وللتعويض عن ذلك، ينشط إغلاق الثغور ترجمة جين NADP-ME لتعزيز كفاءة امتصاص _ثاني أكسيد الكربون خلال فترات امتصاصه القصيرة، مما يسمح باستمرار تثبيت _{الكربون} .

بالإضافة إلى التنظيم على المدى الزمني الطويل عبر التحكم في التعبير الجيني، يمكن أن يحدث التنظيم على المدى الزمني القصير من خلال آليات تنظيمية غير مباشرة . وقد تبين أن إنزيم C4 NADP-ME يُثبط جزئيًا بواسطة _ركيزته ، حمض الماليك، مما يشير إلى وجود موقعي ارتباط مستقلين: أحدهما في الموقع النشط والآخر في موقع تنظيمي غير مباشر. ومع ذلك، فإن التأثير التثبيطي يعتمد على درجة الحموضة ، حيث يكون موجودًا عند درجة حموضة 7 ولكنه غير موجود عند درجة حموضة 8. ويتوافق التحكم في نشاط الإنزيم نتيجة لتغيرات درجة الحموضة مع فرضية أن إنزيم NADP-ME يكون في ذروة نشاطه أثناء عملية التمثيل الضوئي : إذ تؤدي تفاعلات الضوء النشطة إلى زيادة في القاعدية داخل ستروما البلاستيدات الخضراء ، حيث يوجد إنزيم NADP-ME، مما يؤدي إلى انخفاض التأثير التثبيطي لحمض الماليك على إنزيم NADP-ME وبالتالي تعزيز حالة أكثر نشاطًا. وعلى العكس من ذلك، تؤدي تفاعلات الضوء البطيئة إلى زيادة في الحموضة داخل الستروما، مما يعزز تثبيط إنزيم NADP-ME بواسطة حمض الماليك. ولأن نواتج التفاعلات الضوئية عالية الطاقة ، NADPH و ATP ، ضرورية لاستمرار دورة كالفن ، فإن تراكم _ثاني أكسيد الكربون بدونها ليس مفيدًا، مما يفسر الحاجة إلى آلية تنظيمية. ^{[ 13 ]}

قد يستخدم هذا البروتين نموذج المورفين للتنظيم التآزري . ^{[ 14 ]}

لم يتطور إنزيم NADP-ماليك، شأنه شأن جميع إنزيمات نازعة الكربوكسيل C4 الأخرى _{، من الصفر لتجميع ثاني} أكسيد الكربون لدعم إنزيم روبيسكو . ^{[ 15 ]} بل تحول إنزيم NADP-ME مباشرةً من نوع C3 _في عملية التمثيل الضوئي ، بل وحتى من أصول أقدم من سلف سيتوبلازمي قديم . في السيتوبلازم ، وُجد الإنزيم على شكل سلسلة من الأشكال المتماثلة الأساسية التي تؤدي وظائف متنوعة، بما في ذلك الحفاظ على مستوى الماليت أثناء نقص الأكسجين ، وفصل الأبواغ الدقيقة ، والدفاع ضد مسببات الأمراض . وفيما يتعلق بآلية التطور، يُعتقد أن وظيفة C4 _نشأت من خطأ في تكرار الجينات داخل مناطق المحفز ، مما أدى إلى فرط التعبير في خلايا غمد الحزمة، وداخل المنطقة المشفرة، مما أدى إلى اكتساب وظيفة جديدة . ^{[ 16 ]} ثم تشكل الانتقاء لوظيفة الحفاظ على _ثاني أكسيد الكربون ، بالإضافة إلى تعزيز استخدام الماء والنيتروجين في ظل الظروف الضاغطة، بفعل الضغوط الطبيعية. ^{[ 17 ]}

• إنزيم نازع هيدروجين الماليت (أوكسالوأسيتات-نازع الكربوكسيل) الذي يحفز نفس التفاعل باستخدام NAD ⁺ كعامل مؤكسد
• ME1 (جين بشري)

• هاراري، إسحاق؛ كوري، شاول ر.؛ أوتشوا، سيفيرو (أغسطس 1953). "التخليق الحيوي للأحماض ثنائية الكربوكسيل عن طريق تثبيت ثاني أكسيد الكربون. السابع. توازن تفاعل إنزيم الماليك" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 203 (2): 595-604 . doi : 10.1016/S0021-9258(19)52329-8 . PMID 13084629 . 
• أوتشوا إس، ميهلر إيه إتش، كورنبرغ إيه (يوليو 1948). "التخليق الحيوي للأحماض ثنائية الكربوكسيل عن طريق تثبيت ثاني أكسيد الكربون؛ عزل وخصائص إنزيم من كبد الحمام يحفز نزع الكربوكسيل التأكسدي العكسي لحمض 1-الماليك" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 174 (3): 979-1000 . doi : 10.1016/S0021-9258(18)57307-5 . PMID 18871257 . 
• روتر، دبليو جيه، ولاردي، إتش إيه (أغسطس 1958). "تنقية وخصائص إنزيم الماليك في كبد الحمام" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 233 (2): 374-382 . doi : 10.1016/S0021-9258(18)64768-4 . PMID 13563505 . 
• ستيكلاند ، آر. جي. (ديسمبر 1959). "بعض خصائص إنزيم الماليك في كبد الحمام. 1. تحويل الماليت إلى بيروفات" . المجلة البيوكيميائية . 73 (4): 646-654 . doi : 10.1042/bj0730646 . PMC 1197115. PMID 13834656 .  
• ستيكلاند، آر. جي. (ديسمبر 1959). " بعض خصائص إنزيم الماليك في كبد الحمام. 2. تخليق الماليت من البيروفات" . المجلة البيوكيميائية . 73 (4): 654-659 . doi : 10.1042/bj0730654 . PMC 1197116. PMID 13834657 .  
• ووكر، د. أ. (فبراير 1960). "دراسات فسيولوجية حول استقلاب الأحماض. 7. إنزيم الماليك من نبات الكالانشو كرينا: تأثير تركيز ثاني أكسيد الكربون" . المجلة البيوكيميائية . 74 (2): 216-223 . doi : 10.1042/bj0740216 . PMC 1204145. PMID 13842495 .