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蘋果酸脫氫酶(MDH)屬氧化還原酶類，EC1.1.1.37。催化蘋果酸氧化脫氫生成草酰乙酸的可逆反應。人體組織中MDH有兩型同工酶，即存在于線粒體的m-MDH和存在于細胞質的c-MDH。m-MDH在線粒體主要催化蘋果酸脫氫(氧化)，系三羧酸循環中的重要酶系之一，對體內營養物質的徹底氧化或相互轉變均起重要作用；c-MDH定位于胞液，主要催化草酰乙酸加氫(還原)，是蘋果酸穿梭系統保證胞液中糖酵解生成的NADH進入線粒體徹底氧化產能的重要酶類。MDH在心肌、骨骼肌和腎含量最豐富。正常參考范圍：分光光度法：12.5～50.0mIU。血清MDH升高見于：心肌梗死初期，一般可超過正常參考值2～3倍以上，10～14d恢復正常；病毒性肝炎初期和病情極期，患者血清MDH總活性和m-MDH的升高幅度與病情的嚴重性相關；另外還見于惡性腫瘤肝轉移、創傷性休克、腎臟疾病、類風濕性關節炎及血液系統疾病等。新生兒血清MDH活性可達成人正常參考值上限的2倍；妊娠期血清升高。
1.序列比較
MDHs的氨基酸序列將其主要分為兩個亞類：一些細菌的MDHs與真核細胞線粒體MDHs(mitMDH)的氨基酸序列高度同源，歸為一個亞類，如EcMDH與豬mitMDH和酵母mitMDH一級結構的一致性為58.3%及47.9%；其它細菌的MDHs，如嗜溫細菌MDH(ThermusflavusMDH，TfMDH)則與真核細胞葉MDHs(chlMDH)和細胞質MDHs(cyMDH)的氨基酸序列更加相似，歸為另一個亞類。MDHs存在各種形式的同工酶，不同來源的MDHs氨基酸序列關系很復雜。氨基酸序列對比顯示動植物細胞質MDH和細菌MDH的氨基酸序列相似性為48% ～ 67%。而且同一細胞器的MDHs在物種間的相似性超過了不同細胞器來源的MDHs在物種內的相似性，如大米的cyMDH與人、細菌的cyMDH的氨基酸序列同源性分別是59%和52%，但是大米的cyMDH和大米乙醛酸體MDH(gMDH)的氨基酸序列相似性只有24%，而豬mitMDH和豬cyMDH的序列相似性只有約20%。這表明在物種分化之前已經形成了不同種類的MDH同工酶。
2.亞基組成及活性中心
MDHs為同源二聚體或四聚體，目前發現的真核生物MDHs都是二聚體，如豬心cyMDH和大米的cyMDH。大腸桿菌的MDH是二聚體，但芽孢桿菌類MDHs多為四聚體，如枯草桿菌和嗜熱脂肪芽孢桿菌的MDH。NAD-MDHs亞基分子在32 ～ 37 kDa之間，NADP-MDHs亞基分子量約42 kDa。不同來源的MDH的晶體結構顯示，盡管其氨基酸序列的同源性不高，但是其空間結構上卻有很多相似處，如重要的二級結構元件、輔酶結合位點、起催化作用的關鍵氨基酸等。MDHs的每個亞基包含結構性和功能性的兩個結構域，NAD結合結構域占據著N-端，覆蓋了分子的一半，包含著一個平行的β-折疊結構(Rossman折疊模體)。核心的二核苷酸結合結構由4個β-折疊和一個α-螺旋組成。MDHs的C-端結構域包含底物結合部位和催化必須的氨基酸殘基。酶的活性中心位于兩個結構域之間的裂縫中。
小鼠cyMDH的結構顯示，NAD-MDHs通常包含N-端的NAD結合區、催化區及C-端尾區三個結構域，前兩者構成MDH的活性中心。在NAD-MDHs的催化區中，Asp和His殘基是核心氨基酸，如Asp-150 和His-177是構成EcMDH活性位點的重要氨基酸；Asp-152和His-180 是豬心cyMDH催化區中的關鍵氨基酸。它們通過氫鍵形成His-Asp離子對，在催化過程中作為質子中轉系統，這也在一定程度上解釋了MDHs與NADH的結合比其與NAD的結合更穩定些。而且His中的咪唑環、煙酰胺環以及Asp的羧基部分的相對位置對于MDHs的催化起著關鍵性作用。研究表明包括MDHs在內的所有的2 -羥酸脫氫酶中都存在一個His-Asp離子對，它作為質子中轉系統，催化時要求與2-羥基集團正確定位，形成活性區域的陰離子空穴，以容納檸檬酸鹽、小的帶電陰離子如硫酸鹽。
3.輔酶特異性及底物特異性
NAD-MDHs和NADP-MDHs的催化部位及輔酶結合部位的同源性很高。Asp-53對于MDH的輔酶特異性至關重要，它在NAD-MDHs中高度保守，而在玉米等植物葉綠體NADP-MDH中，該位置的氨基酸都為Gly。基因突變實驗表明，MDHs的輔酶特異性僅由幾個高度保守的氨基酸決定。Takeo等人構建了嗜溫細菌TfMDH的兩種突變體酶EX3 和EX7。EX3 是將TfMDH中的第41、42、45 位氨基酸突變為葉綠體NADP-MDH中的對應氨基酸Gly、Ser和Ser。EX7是將41到47位氨基酸Glu-Ile-Pro-Gln-Ala-Met-Lys突變為葉綠體NADP-MDH中對應的Gly-Ser-Glu-Arg-Ser-Phe-Gln。結構兩種突變體酶都實現了NAD+向NADP+輔酶特異性的轉變。同理將高粱葉綠體NADP-MDH的第84、85、87、88位氨基酸替換成TfMDH中對應的Glu-Ile-Glu-Ala，突變體酶的動力學參數也發生了不同程度的改變。來自嗜熱脂肪芽胞桿菌的LDH(BacillusstearothermophilusLDH，BsLDH)和EcMDH僅有25%的氨基酸序列一致性，但是兩種酶的蛋白質折疊驚人的相似，只是在二級結構上略有微小的差異。在兩者的活性中心，只有第102位的關鍵性殘基不同，在BsLDH中是Gln，而在EcMDH中是Arg。Wilks等人將BsLDH的Gln-102突變為Arg-102，結果令人驚訝的將BsLDH轉變為高特異性的MDH。然而將EcMDH的Arg-102突變為Gln-102后，突變體酶雖然可以特異的以丙酮酸為底物，但是催化效率很低。
1. 最適pH值和最適溫度
MDHs的最適pH值偏堿性，約在8.0左右，如鏈霉菌(Streptomycesaureofaciens)和大腸桿菌的MDH(E.coliMDH，EcMDH)都在pH值8.1的時候酶活性最高。MDHs的最適反應溫度為40 ～ 65℃。如枯草桿菌MDH和豬心肌MDH的最適溫度約50℃，嗜熱脂肪芽孢桿菌(BacillusstearothermophilusMDH，BsMDH)在65℃有較好的穩定性。在溫度趨向兩極的情況下，大多數種屬的MDHs活力不高，但來自嗜寒細菌(Aquaspilliumarcticum)的MDH(AaMDH)在4℃左右仍然保持較高的活性，嗜熱細菌(Thermophilicbacterium)的MDH在90℃仍然可以保持1h左右的活力，這種差異可能是由于活性位點某種殘基的偏愛、底物和輔因子電荷的分布以及亞基間離子對的相互作用等原因造成的。
2.熱穩定性
EcMDH和枯草桿菌MDH的熱穩定性較差。嗜熱脂肪芽孢桿菌BsMDH在高溫下相當穩定。嗜寒細菌AaMDH不耐熱，推測與氫鍵數目、脯氨酸或甘氨酶分子的數量、位置、及它們的相互作用有關。有分析表明醇類物質對MDHs的熱定有一定影響。在低溫環境下，甘油是維持MDHs活性的最好穩定劑，而環多醇和山梨醇能在高溫下維持MDHs的活性。這種穩定原理可能是羥基基團和酶分子的相互作用或是醇類減少了介質的介電常數而加強了酶分子的疏水作用，使酶蛋受水分子的影響減少。還有的研究表明，增加二硫鍵或氫鍵可以改善MDHs的熱穩定性。如嗜熱細菌(Chlorobium tepidum)和嗜溫細菌(Chlorobium vibrioforme)的MDHs熱穩定差異，是由于嗜熱細菌MDH的極性殘基在亞基之間形成更多的氫鍵。另外嗜熱細菌(Chloroflexusaurantiacus)的MDH含有更多的脯氨酸和丙氨酸殘基，能更好的穩定蛋白質骨架結構，同時在二聚體之間，一些帶電荷的氨基酸所形成的離子間相互作用有助于蛋白質的熱穩定性。
3.金屬離子的影響
帶各種電荷的離子對MDHs的活性及蛋白質的穩定性影響不同，通過不同金屬離子對綠豆MDH的研究表明：K+有激活作用；Mg2 +和Ca2 +對酶活影響不大；Zn2 +、Pb2 +和Cu2 +對酶活有不同程度的抑制作用，其中Cu2 +抑制程度最強，當其濃度為1M時，97%的酶活被抑制。還有來自嗜鹽古菌的MDH (HaloarculamarismortuiMDH，HmMDH)，其穩定性受多種離子的影響，當電荷密度高時，陰離子能有效的穩定酶的折疊結構，而陽離子需在低鹽濃度下時才能發揮相同的作用。
MDHs催化蘋果酸羥基的氫離子定向地轉移到NAD(P)+上，實現蘋果酸與草酰乙酸之間的可逆轉換。MDHs活性部位由一個疏水的空泡組成，它包含了底物和輔酶的結合位點。當形成酶-輔酶-底物三聚體復合物時，蛋白質構象發生改變。在這個變化過程中，復合體外部的一個環掩蓋住活性中心以保護底物和重要氨基酸不受溶劑的干擾，而其余的一些起催化作用的氨基酸向底物靠近，同時位于活性中心的His-Asp離子對在反應過程中提供質子。
研究表明MDHs活性區域高度保守的3個Arg決定其催化反應的特異性。當酶與底物接觸時，位于移動環側鏈的2個Arg與底物相互作用，另一個Arg在底物轉化時與其羧基基團的配位鍵結合，從而穩定新形成的羥基和酮基產物。如豬心cyMDH與底物結合時，酶的Arg-91和Arg-97先固定在活性區的環中，His-186首先與底物C2的羰基氧原子結合，接著Arg-161的氫鍵直接結合到底物C1的羧基上，后Arg-97也結合到底物C2的羰基氧原子，從而完成了與底物結合的主要過程。在整個反應中，第一步提供還原底物所需要的質子，第二步協助底物定向和定位，最后一步是極化底物的羰基基團而使C2上產生陽性電荷，從而激發NADH產生帶一對電子的質子。同樣在EcMDH催化反應時，Arg-81、Arg-87、Arg-153在穩定和定位底物中發揮重要作用。首先Arg-81和Arg-87定位在一個環上，向活性區域彎曲并形成氫鍵與底物的4 -羧基和2 -羧基或酮相互作用，之后Arg-153由氫鍵結合在底物1-羧基上，從而完成與底物結合過程。
蘋果酸脫氫酶(malatedehydrogenase，MDH)存在于所有的生物體中，是生物糖代謝的關鍵酶之一，能催化蘋果酸與草酰乙酸之間的可逆轉換。MDH在細胞的多種生理活動中起著重要的作用，包括線粒體的能量代謝以及植物的活性氧代謝等，具有較高的理論研究和經濟利用意義。如MDH同工酶參與不同的細胞生理代謝途徑：cyMDH與丙酮酸羧化支路相聯，與非自養性的二氧化碳固定有關；mitMDH是TCA循環中的關鍵酶，提供能量；微體MDH與光呼吸或乙醛酸循環有關；葉綠體MDH主要在光合作用中固定二氧化碳。在農業生產中，酸性土壤中的鋁毒是農作物生長的主要限制因子。研究發現，為了提高植物對土壤中磷元素的吸收，通過遺傳工程進行植物分子改良育種，如在苜蓿中超量表達MDH基因后，增強轉基因苜蓿對有機酸的吸收，從而提高適應酸性土壤和對付鋁毒的耐受性。然而當MDH高表達的時候，植物有機酸含量的增多可以增加細胞的滲透壓并且可以螯合除去部分離子，從而改善植物對鹽的耐受性。最近有人提出，利用嗜鹽細菌MDH的轉基因技術來提高農作物的耐鹽性，如鹽生杜氏藻D.salina和D.bardwil是迄今為止發現的最耐鹽真核生物，通過對它們的MDH基因克隆和序列的分析，可以為植物的耐鹽性研究奠定基礎。除此之外，在番茄F1 雜交種中，利用電泳檢測MDH同工酶酶譜之間的差異來鑒定的雜交種的純度，成為種子生產中一種新的省時省力的檢測方法，有利于鑒別高產，抗病，抗逆優勢的雜交種，這為農業生產帶來較大的經濟效益。浙江大學劉艷荷等人通過對西方蜜蜂10個蜂種的MDHII等位基因頻率和蜂蜜、蜂王漿、蜂花粉、蜂蠟、蜂毒產量的研究，分析3個等位基因頻率與這5個經濟性狀的相關性，認為MDHII等位基因頻率將可能成為蜜蜂生產品質的生化遺傳標記。
MDH在醫學方面也引起越來越多的關注，如利用基因工程疫苗預防人體帶絳蟲病已是備受關注的研究方向，通過牛帶絳蟲亞洲亞種MDH基因的生物信息學分析，預測到胞漿型MDH是一個潛在的診斷抗原，這為帶絳蟲在診斷、藥物及疫苗研究中的應用前景提供了重要的線索。后又實驗證明其可在原核表達系統中獲得具有免疫學活性的高效表達，這為進一步研究該蛋白的功能奠定了基礎。同時通過多種重組疫苗聯合免疫以求增大疫苗保護效果也成為今后研制絳蟲疫苗的主要方向。另外對華蟲睪吸蟲cyMDH活性位點的氨基酸突變研究，為進一步了解及治療這種流行性疾病奠定了基礎。同樣對細粒棘球蚴中國大陸mitMDH的功能研究，有助于重組疫苗的研制，為預防該寄生蟲病提供了可能。
利用MDH底物專一性，還可將其用于拆分D，L-蘋果酸得到D-蘋果酸。D-蘋果酸是一種非天然有機酸，是一種極其重要的4 -碳有機手性源，主要應用于手性藥物、手性添加劑、手性助劑等領域。近年來全世界對D-蘋果酸的需求量增加，從而引起了一些國家對D-蘋果酸的研究興趣。利用這種微生物轉化法生產的蘋果酸，耗能低，清潔環保，是制藥行業合成泛酸、信息素及生物堿等手性物質的手性源。
血清MDH活性升高常見于如下疾病：
1. 肝病在病毒性肝炎發病初期，患者血清總MDH活性和m-MDH的升高幅度與病情嚴重 程度呈正相關，但當肝組織出現壞死時，血清c-MDH升高更為明顯，提示患者預后不良。原發性肝癌、肝轉移癌和其他中毒性肝損傷時，血清MDH總活性也會有不同程度的升高。
2. 急性心肌梗死：急性心肌梗死患者血清MDH活性升高明顯，可達正常參考值上限的3倍 以上，變化時程為： 24～48h達高峰，10～14d恢復正常。因此，MDH與CK、LDH、AST聯合檢 測有助于診斷心肌梗死。
3. 其他疾病：腎臟疾病、類風濕和風濕性疾病、創傷性休克、血液系統疾病等，也可見血清 MDH活性不同程度的升高。
[1] 臨床肝病實驗診斷學
[2] 診斷學大辭典
[3] 蘋果酸脫氫酶的結構及功能