Лактатдегидрогеназа ( ЛДГ или LD ) — это фермент, который содержится практически во всех живых клетках. ЛДГ катализирует превращение пирувата в лактат и обратно, поскольку он превращает НАД + в НАДН и обратно. Дегидрогеназа — это фермент, который переносит гидрид от одной молекулы к другой.
LDH существует в четырех различных классах ферментов. Эта статья посвящена конкретно NAD(P) -зависимой L -лактатдегидрогеназе. Другие LDH действуют на D -лактат и/или зависят от цитохрома c : D-лактатдегидрогеназа (цитохром) и L-лактатдегидрогеназа (цитохром) .
ЛДГ широко экспрессируется в тканях организма, таких как клетки крови и сердечная мышца. Поскольку он высвобождается при повреждении тканей, он является маркером распространенных травм и заболеваний, таких как сердечная недостаточность.
Лактатдегидрогеназа катализирует взаимопревращение пирувата и лактата с сопутствующим взаимопревращением NADH и NAD + . Она преобразует пируват, конечный продукт гликолиза , в лактат, когда кислород отсутствует или его мало, и выполняет обратную реакцию во время цикла Кори в печени . При высоких концентрациях лактата фермент проявляет ингибирование по типу обратной связи, и скорость превращения пирувата в лактат снижается. Она также катализирует дегидрирование 2-гидроксибутирата , но это гораздо более плохой субстрат, чем лактат.
LDH у людей использует His (193) в качестве акцептора протонов и работает в унисон с остатками связывания кофермента ( Arg 99 и Asn 138) и субстрата (Arg106; Arg169; Thr 248). [1] [2] Активный центр His(193) обнаружен не только в человеческой форме LDH, но и у многих других животных, что свидетельствует о конвергентной эволюции LDH. Две разные субъединицы LDH (LDHA, также известная как субъединица M LDH, и LDHB, также известная как субъединица H LDH) сохраняют один и тот же активный центр и одни и те же аминокислоты, участвующие в реакции. Заметное различие между двумя субъединицами, составляющими третичную структуру LDH, заключается в замене аланина (в цепи M) на глутамин (в цепи H). Это небольшое, но заметное изменение, как полагают, является причиной того, что субъединица H может связывать НАД быстрее, а каталитическая активность субъединицы M не снижается в присутствии ацетилпиридинадениндинуклеотида, тогда как активность субъединицы H снижается в пять раз. [3]
Ферментативно активная лактатдегидрогеназа состоит из четырех субъединиц (тетрамеров). Две наиболее распространенные субъединицы — это пептиды LDH-M и LDH-H, названные так по месту их обнаружения в мышечной и сердечной ткани и кодируемые генами LDHA и LDHB соответственно. Эти две субъединицы могут образовывать пять возможных тетрамеров (изоферментов): LDH-1 (4H), LDH-5 (4M) и три смешанных тетрамера (LDH-2/3H1M, LDH-3/2H2M, LDH-4/1H3M). Эти пять изоформ ферментативно схожи, но демонстрируют различное распределение в тканях.
LDH-2 обычно является преобладающей формой в сыворотке . Уровень LDH-1 выше, чем уровень LDH-2 («перевернутый паттерн») предполагает инфаркт миокарда (повреждение тканей сердца высвобождает сердечный LDH, который богат LDH-1, в кровоток). Использование этого явления для диагностики инфаркта было в значительной степени вытеснено использованием измерения тропонина I или T. [ необходима цитата ]
Есть еще две субъединицы LDH млекопитающих, которые могут быть включены в тетрамеры LDH: LDHC и LDHBx. LDHC — это специфичный для яичек белок LDH, который кодируется геном LDHC. LDHBx — это специфичный для пероксисом белок LDH. LDHBx — это считываемая форма LDHB. LDHBx генерируется путем трансляции мРНК LDHB , но стоп-кодон интерпретируется как кодирующий аминокислоту кодон . В результате трансляция продолжается до следующего стоп-кодона. Это приводит к добавлению семи аминокислотных остатков к нормальному белку LDH-H. Расширение содержит пероксисомальный сигнал нацеливания , так что LDHBx импортируется в пероксисому. [6]
Семейство также содержит L-лактатдегидрогеназы, которые катализируют превращение пирувата в L-лактат , последний шаг в анаэробном гликолизе. Малатдегидрогеназы, которые катализируют взаимопревращение малата в оксалоацетат и участвуют в цикле лимонной кислоты, и L-2-гидроксиизокапроатдегидрогеназы также являются членами семейства. N-конец представляет собой складку, связывающую NAD Россманна , а C-конец представляет собой необычную альфа+бета-складку. [7] [8]
Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям. [§ 1]
Этот белок может использовать модель аллостерической регуляции морфеина . [9]
Этанол дегидрируется до ацетальдегида алкогольдегидрогеназой , а затем до ацетил - КоА ацетальдегиддегидрогеназой . В ходе этой реакции образуется 2 НАДН. Если присутствует большое количество этанола, то образуется большое количество НАДН, что приводит к истощению НАД + . Таким образом, превращение пирувата в лактат увеличивается из-за связанной регенерации НАД + . Поэтому при отравлении этанолом может возникнуть метаболический ацидоз с анионным разрывом ( лактоацидоз ) .
Повышенное соотношение NADH/NAD+ также может вызвать гипогликемию у (иначе) голодающего человека, который выпил и зависит от глюконеогенеза для поддержания уровня глюкозы в крови. Аланин и лактат являются основными предшественниками глюконеогенеза, которые входят в глюконеогенез как пируват. Высокое соотношение NADH/NAD+ смещает равновесие лактатдегидрогеназы в сторону лактата, так что может образоваться меньше пирувата и, следовательно, глюконеогенез нарушается.
LDH также регулируется относительной концентрацией его субстратов. LDH становится более активным в периоды экстремальной мышечной работы из-за увеличения субстратов для реакции LDH. Когда скелетные мышцы заставляют вырабатывать большие уровни мощности, потребность в АТФ в отношении аэробного снабжения АТФ приводит к накоплению свободного АДФ, АМФ и Pi. Последующий гликолитический поток, в частности, производство пирувата, превышает способность пируватдегидрогеназы и других челночных ферментов метаболизировать пируват. Поток через LDH увеличивается в ответ на повышенные уровни пирувата и НАДН для метаболизма пирувата в лактат. [10]
LDH подвергается транскрипционной регуляции со стороны PGC-1α. PGC-1α регулирует LDH, снижая транскрипцию мРНК LDH A и ферментативную активность преобразования пирувата в лактат. [11]
Субъединицы M и H кодируются двумя разными генами :
Мутации субъединицы М связаны с редким заболеванием — миоглобинурией при физической нагрузке (см. статью OMIM), а мутации субъединицы Н описаны, но, по-видимому, не приводят к заболеванию.
В редких случаях мутация в генах, контролирующих выработку лактатдегидрогеназы, приводит к медицинскому состоянию, известному как дефицит лактатдегидрогеназы. В зависимости от того, какой ген несет мутацию, возникнет один из двух типов: либо дефицит лактатдегидрогеназы-A (также известный как болезнь накопления гликогена XI), либо дефицит лактатдегидрогеназы-B. Оба эти состояния влияют на то, как организм расщепляет сахара, в первую очередь в определенных мышечных клетках. Дефицит лактатдегидрогеназы-A вызван мутацией гена LDHA , тогда как дефицит лактатдегидрогеназы-B вызван мутацией гена LDHB . [12]
Это состояние наследуется по аутосомно-рецессивному типу, что означает, что для проявления этого состояния оба родителя должны иметь мутировавший ген. [13]
Полный фермент лактатдегидрогеназы состоит из четырех белковых субъединиц . [14] Поскольку две наиболее распространенные субъединицы, обнаруженные в лактатдегидрогеназе, кодируются генами LDHA и LDHB , любая из вариаций этого заболевания вызывает аномалии во многих ферментах лактатдегидрогеназы, обнаруженных в организме. В случае дефицита лактатдегидрогеназы-A мутации гена LDHA приводят к образованию аномальной субъединицы лактатдегидрогеназы-A, которая не может связываться с другими субъединицами для образования полного фермента . Это отсутствие функциональной субъединицы уменьшает количество образующегося фермента, что приводит к общему снижению активности. Во время анаэробной фазы гликолиза ( цикл Кори ) мутировавший фермент неспособен преобразовывать пируват в лактат для производства дополнительной энергии, необходимой клеткам. Поскольку эта субъединица имеет самую высокую концентрацию в ферментах ЛДГ, обнаруженных в скелетных мышцах (которые являются основными мышцами, ответственными за движение), высокоинтенсивная физическая активность приведет к недостаточному количеству энергии, вырабатываемой во время этой анаэробной фазы. [15] Это, в свою очередь, приведет к ослаблению мышечной ткани и, в конечном итоге, к ее разрушению, состоянию, известному как рабдомиолиз . Процесс рабдомиолиза также высвобождает миоглобин в кровь, который в конечном итоге попадает в мочу и заставляет ее становиться красной или коричневой: еще одно состояние, известное как миоглобинурия . [16] Некоторые другие распространенные симптомы - это непереносимость физических нагрузок, которая состоит из усталости, мышечной боли и судорог во время упражнений, а также кожной сыпи. [17] [18] В тяжелых случаях миоглобинурия может повредить почки и привести к опасной для жизни почечной недостаточности. [19] Для того чтобы получить окончательный диагноз, может быть проведена биопсия мышцы, чтобы подтвердить низкую или отсутствующую активность ЛДГ. В настоящее время специфического лечения этого заболевания не существует.
В случае дефицита лактатдегидрогеназы-B мутации гена LDHB приводят к образованию аномальной субъединицы лактатдегидрогеназы-B, которая не может связываться с другими субъединицами для образования полного фермента. Как и в случае дефицита лактатдегидрогеназы-A, эта мутация снижает общую эффективность фермента. [20] Однако между этими двумя случаями есть некоторые существенные различия. Первое — это место, где проявляется состояние. При дефиците лактатдегидрогеназы-B самая высокая концентрация субъединиц B находится в сердечной мышце или сердце. В сердце лактатдегидрогеназа играет роль обратного преобразования лактата в пируват, чтобы пируват можно было снова использовать для создания большего количества энергии. [21] При мутировавшем ферменте общая скорость этого преобразования снижается. Однако, в отличие от дефицита лактатдегидрогеназы-A, эта мутация, по-видимому, не вызывает никаких симптомов или проблем со здоровьем, связанных с этим состоянием. [18] [22] В настоящий момент неясно, почему это так. Пораженные люди обычно обнаруживаются только тогда, когда рутинные анализы крови показывают низкие уровни ЛДГ в крови.
Начало ацидоза в периоды интенсивных упражнений обычно приписывают накоплению водородов, которые диссоциируют от лактата. Ранее считалось, что молочная кислота вызывает усталость. Исходя из этих соображений, широко была принята идея о том, что выработка лактата является основной причиной мышечной усталости во время упражнений. Более тщательный механистический анализ выработки лактата в «анаэробных» условиях показывает, что нет никаких биохимических доказательств того, что выработка лактата через LDH способствует ацидозу. В то время как активность LDH коррелирует с мышечной усталостью, [23] выработка лактата посредством комплекса LDH работает как система, задерживающая начало мышечной усталости. Джордж Брукс и коллеги из Калифорнийского университета в Беркли, где был обнаружен челнок лактата, показали, что лактат на самом деле является метаболическим топливом, а не отходами или причиной усталости.
LDH работает для предотвращения мышечной недостаточности и усталости несколькими способами. Реакция образования лактата генерирует цитозольный NAD+, который поступает в реакцию глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы, чтобы помочь поддерживать цитозольный окислительно-восстановительный потенциал и способствовать потоку субстрата через вторую фазу гликолиза для содействия генерации АТФ. Это, по сути, обеспечивает больше энергии для сокращающихся мышц при больших нагрузках. Производство и удаление лактата из клетки также выбрасывает протон, потребляемый в реакции LDH - удаление избыточных протонов, произведенных в результате этой реакции ферментации, служит буферной системой для мышечного ацидоза. [ необходима цитата ] Как только накопление протонов превышает скорость поглощения при производстве и удалении лактата через симпорт LDH, [24] возникает мышечный ацидоз.
В анализах крови повышенный уровень лактатдегидрогеназы обычно указывает на повреждение тканей, которое имеет несколько потенциальных причин, отражающих его широкое распространение в тканях:
Низкие и нормальные уровни ЛДГ обычно не указывают на какую-либо патологию. [28] Низкие уровни могут быть вызваны большим потреблением витамина С.
ЛДГ — это белок, который в норме присутствует в небольших количествах во всем организме .
Многие виды рака могут повышать уровень ЛДГ, поэтому ЛДГ может использоваться в качестве опухолевого маркера , но в то же время он бесполезен для определения конкретного вида рака. Измерение уровня ЛДГ может быть полезным для мониторинга лечения рака. Нераковые состояния, которые могут повышать уровень ЛДГ, включают сердечную недостаточность, гипотиреоз, анемию, преэклампсию, менингит, энцефалит, острый панкреатит, ВИЧ и заболевания легких или печени. [30]
Распад тканей высвобождает ЛДГ, и поэтому ЛДГ можно измерить как суррогат распада тканей (например, гемолиз ). ЛДГ измеряется с помощью теста на лактатдегидрогеназу (ЛДГ) (также известного как тест ЛДГ или тест на дегидрогеназу молочной кислоты). Сравнение измеренных значений ЛДГ с нормальным диапазоном помогает в диагностике. [31]
В медицине ЛДГ часто используется как маркер распада тканей, поскольку ЛДГ в изобилии содержится в эритроцитах и может функционировать как маркер гемолиза . Образец крови, который был обработан неправильно, может показать ложноположительно высокий уровень ЛДГ из-за повреждения эритроцитов .
Его также можно использовать в качестве маркера инфаркта миокарда . После инфаркта миокарда уровень ЛДГ достигает пика на 3–4 день и остается повышенным до 10 дней. Таким образом, повышенный уровень ЛДГ (где уровень ЛДГ1 выше, чем ЛДГ2, т. е. ЛДГ Флип, поскольку в норме в сыворотке ЛДГ2 выше, чем ЛДГ1) может быть полезен для определения того, был ли у пациента инфаркт миокарда, если он обращается к врачу через несколько дней после эпизода боли в груди.
Другие применения — оценка распада тканей в целом; это возможно, когда нет других показателей гемолиза . Он используется для наблюдения за пациентами с раком (особенно лимфомой ), поскольку раковые клетки имеют высокую скорость обновления, а разрушенные клетки приводят к повышению активности ЛДГ.
ЛДГ часто измеряется у пациентов с ВИЧ как неспецифический маркер пневмонии, вызванной Pneumocystis jirovecii (PCP). Повышенный уровень ЛДГ в условиях симптомов верхних дыхательных путей у пациента с ВИЧ предполагает, но не является диагностическим для PCP. Однако у ВИЧ-позитивных пациентов с респираторными симптомами очень высокий уровень ЛДГ (>600 МЕ/л) указывал на гистоплазмоз (в 9,33 раза более вероятный) в исследовании 120 пациентов с PCP и 30 пациентов с гистоплазмозом. [32]
Измерение ЛДГ в жидкости, аспирированной из плеврального выпота (или перикардиального выпота ), может помочь в различении экссудатов (активно секретируемой жидкости, например, из-за воспаления ) и транссудатов (пассивно секретируемой жидкости, из-за высокого гидростатического давления или низкого онкотического давления ). Обычный критерий (включенный в критерии Лайта ) заключается в том, что отношение плеврального ЛДГ к сывороточному ЛДГ больше 0,6 [33] или 2 ⁄ 3 верхнего предела нормального лабораторного значения для сывороточного ЛДГ [34] указывает на эксудат, тогда как отношение меньше указывает на транссудат. Разные лаборатории имеют разные значения для верхнего предела сывороточного ЛДГ, но примеры включают 200 [35] и 300 [35] МЕ /л. [36] При эмпиеме уровень ЛДГ, как правило, превышает 1000 МЕ/л.
Высокий уровень лактатдегидрогеназы в спинномозговой жидкости часто связан с бактериальным менингитом . [37] В случае вирусного менингита высокий уровень ЛДГ, как правило, указывает на наличие энцефалита и плохой прогноз .
ЛДГ участвует в инициации и метаболизме опухоли. Раковые клетки полагаются на повышенный гликолиз, что приводит к увеличению продукции лактата в дополнение к аэробному дыханию в митохондриях, даже в условиях достаточного содержания кислорода (процесс, известный как эффект Варбурга [38] ). Это состояние ферментативного гликолиза катализируется формой А ЛДГ. Этот механизм позволяет опухолевым клеткам преобразовывать большую часть своих запасов глюкозы в лактат независимо от доступности кислорода, переключая использование метаболитов глюкозы с простого производства энергии на стимулирование ускоренного роста и репликации клеток.
LDH A и возможность ингибирования его активности были определены как перспективная цель в лечении рака, направленном на предотвращение пролиферации канцерогенных клеток. Химическое ингибирование LDH A продемонстрировало заметные изменения в метаболических процессах и общей выживаемости клеток карциномы. Оксамат является цитозольным ингибитором LDH A, который значительно снижает выработку АТФ в опухолевых клетках, а также увеличивает выработку активных форм кислорода (ROS). Эти ROS стимулируют пролиферацию раковых клеток, активируя киназы, которые стимулируют факторы роста прогрессирования клеточного цикла в низких концентрациях [39] , но могут повреждать ДНК через окислительный стресс в более высоких концентрациях. Вторичные продукты окисления липидов также могут инактивировать LDH и влиять на его способность регенерировать NADH [40] , напрямую нарушая способность ферментов преобразовывать лактат в пируват.
Хотя недавние исследования показали, что активность LDH не обязательно является индикатором риска метастазирования, [41] экспрессия LDH может выступать в качестве общего маркера в прогнозе рака. Экспрессия LDH5 и VEGF в опухолях и строме оказалась сильным прогностическим фактором для диффузного или смешанного типа рака желудка. [42]
В прокариотической лактатдегидрогеназе обнаружен домен связывания с мембраной . Он состоит из большого семицепочечного антипараллельного бета-слоя, фланкированного с обеих сторон альфа-спиралями . Он обеспечивает ассоциацию с мембраной . [43]