Applied Biochemistry and MicrobiologyApplied Biochemistry and MicrobiologyПрикладная биохимия и микробиология0555-10993034-574XThe Russian Academy of Sciences68927610.31857/S0555109925030038FNLUFHArticlesСтатьиResearch ArticlePhysicochemical and catalytic properties of homogeneous isoforms of γ-hydroxybutyrate dehydrogenase from maize (Zea mays L.)Физико-химические и каталитические свойства гомогенных изоформ γ-гидроксибутиратдегидрогеназы из кукурузы (Zea mays L.)AnokhinaG. B.АнохинаГ. Б.
Russian Federation
bc366@bio.vsu.ruPlotnikovaE. V.ПлотниковаЕ. В.
Russian Federation
bc366@bio.vsu.ruEprintrsevA. T.ЕпринцевА. Т.
Russian Federation
bc366@bio.vsu.ruVoronezh State UniversityВоронежский государственный университет040920256132492591408202514082025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://ruspoj.com/0555-1099/article/view/689276

γ-Hydroxybutyrate dehydrogenase (GBDH) is an enzyme belonging to the oxidoreductase class, catalyzing the reversible conversion of succinic semialdehyde (SSA) to γ-hydroxybutyric acid (GHB). It has been established that in maize seedlings, GBDH has mitochondrial (73.7%) and cytoplasmic localization (26.3%). Two homogeneous preparations of GBDH isoforms were obtained from 7-day-old maize seedlings. The purified GBDH1 preparation had a native molecular mass of 60.3 kDa (Mr of individual subunits ~15 kDa). GBDH2, a heteromer with a molecular mass of ~286 kDa, consisted of subunits with Mr ranging from 52 to 66 kDa. The optimal pH values for the obtained enzymes differed: for GBDH1, the optimum pH for the oxidation reaction of γ-hydroxybutyrate was 9.0, while for GBDH2, the optimum pH was 7.0. The kinetics of the enzymatic reaction of GHB conversion to succinic semialdehyde follows the Michaelis-Menten equation. The Km value for GBDH1 with γ-hydroxybutyric acid was 0.31 ± 0.01 mM, and for NAD+ it was 0.47 mM ±0.02. For GBDH2, the Km value with the substrate GHB was 0.7 ± 0.03 mM, and the Km for NAD+ was 0.19 ± 0.01 mM. It was shown that CaCl2 and KCl increased the activity of GBDH1, while MgCl2 had a minor inhibitory effect. The catalytic activity of GBDH2 increased in the presence of CaCl2, KCl, and MgCl2. The study has both fundamental significance, expanding knowledge about the properties of GBDH and its role in plant cell metabolism, and applied significance — data on the mechanisms of regulation of GBDH work can be used to develop methods for increasing the productivity and resistance of plants to unfavorable environmental factors.

γ-Гидроксибутиратдегидрогеназа (ГБДГ) — фермент класса оксидоредуктаз, катализирующий обратимое превращение сукцинилового полуальдегида (ССА) в γ-гидроксимасляную кислоту (ГОМК). Установлено, что в проростках кукурузы ГБДГ имеет митохондриальную (73.7%) и цитоплазматическую локализацию (26.3%). Получены два гомогенных препарата изоформ ГБДГ из 7-дневных проростков кукурузы. Очищенный препарат ГБДГ1 имел молекулярную массу нативной молекулы 60.3 кДа (Мr отдельных субъединиц ~15 кДа). ГБДГ2 — гетеромер с молекулярной массой ~ 286 кДа состоял из субъединиц с Mr в диапазоне от 52 до 66 кДа. Оптимальные значения рН полученных ферментов различались: для ГБДГ1 по реакции окисления γ-гидроксибутирата — 9.0, для ГБДГ2 оптимум рН — 7.0. Кинетика ферментативной реакции превращения ГОМК в сукциниловый семиальдегид подчиняется уравнению Михаэлиса-Ментен. Значение Км для ГБДГ1 по γ-гидроксимасляной кислоте составило 0.31 ± 0.01 мМ, а по НАД+ − 0.47 мМ ± 0.02. Для ГБДГ2 величина Км с субстратом ГОМК составляла 0.7 ± 0.03 мМ, Км по НАД+ 0.19 ± 0.01 мМ. Показано, что CaCl2 и KCl увеличивали активность ГБДГ1, в то время как MgCl2 оказывал незначительное ингибирующее действие. Каталитическая активность ГБДГ2 увеличивалась как в присутствии CaCl2, KCl, так и MgCl2. Проведенное исследование имеет как фундаментальное значение, расширяя знания о свойствах ГБДГ и ее роли в метаболизме растительной клетки, так и прикладное — данные о механизмах регуляции работы ГБДГ могут быть использованы для разработки методов увеличения продуктивности и устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды.

γ-hydroxybutyrate dehydrogenasemaizeGABA shuntpurificationenzymatic activityγ-гидроксибутиратдегидрогеназакукурузаГАМК-шунточисткаферментативная активностьМинистерства науки и высшего образования РФMinistry of Science and Higher Education of the Russian FederationBreitkreuz K.E., Allan W.L., Van Cauwenberghe O.R., Jakobs C., Talibi D., Andre B., Shelp B.J. //J. Biol. Chem. 2003. V. 278. № 42. P. 41552−41556. https://doi.org/10.1074/jbc.M305717200Eprintsev A.T., Anokhina G.B., Selivanova P.S., Moskvina P.P., Igamberdiev A.U. // Plants. 2024. V.13. № 18. P. 2651. https://doi.org/10.3390/plants13182651Busch K. B., Fromm H. // Plant Physiol. 1999. V. 121. № 2. P. 589−598. https://doi.org/10.1104/pp.121.2.589Weber H., Chételat A., Reymond P., Farmer E.E. // Plant J. 2004. V. 37. № 6. P. 877−888. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2003.02013.xJi J., Yue J., Xie T., Chen W., Du C., Chang E. et al. // Planta. 2018. V. 248. P. 675−690. https://doi.org/10.1007/s00425-018-2915-9Andriamampandry C., Siffert J.C., Schmitt M., Garnier J.M., Staub A., Muller C. et al. // Biochem. J. 1998. V. 334. № 1. P. 43−50. https://doi.org/doi: 10.1042/bj3340043Schaller, M., Schaffhauser, M., Sans, N. and Wermuth, B. // Eur. J. Biochem. 1999. V. 265. № 3. P. 1056−1060. https://doi.org/10.1046/j.1432-1327.1999.00826.xHoover G.J., Prentice G.A., Merrill A.R., Shelp B.J. // Botany. 2007. V. 85. № 9. P. 896−902. https://doi.org/10.1139/B07-082Simpson J.P., Di Leo R., Dhanoa P.K., Allan W.L., Makhmoudova A., Clark S.M., et al. // J. Exp. Bot 2008. V. 59. № 9. P. 2545−2554. https://doi.org/10.1093/jxb/ern123Allan W.L., Simpson J.P., Clark S.M., Shelp B.J. // J. Exp. Bot. 2008. V. 59. № 9. P. 2555−2564. https://doi.org/10.1093/jxb/ern122Allan L.W., Peiris C., Bown A.W., Shelp B.J. // Canadian Journal of Plant Science. 2003. V. 83. № 4. P. 951−953. https://doi.org/10.4141/P03-085Fait A., Yellin A., Fromm H. // Communication in Plants: Neuronal Aspects of Plant Life. 2006. P. 171−185. https://doi.org/10.1007/978-3-540-28516-8_12Tay E., Lo W. K. W., Murnion B. // Subst. Abuse Rehabil. 2022. V. 13. P. 13−23. https://doi.org/10.2147/SAR.S315720Trainer M.A., Charles T.C. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2006. V. 71. № 4. P. 377−386. https://doi.org/10.1007/s00253-006-0354-1Плотникова Е.В., Анохина Г.Б., Епринцев А.Т., Вандышев Д.Ю. // Вестник Воронежского государственного университета Серия: Химия. Биология. Фармация. 2023. № 3 С. 25−30.Kaufman E.E., Nelson T. // Neurochem. Res. 1991. V. 16. P. 965−974. https://doi.org/10.1007/BF00965839Taxon E.S., Halbers L.P., Parsons S.M. // BBA-Proteins and Proteomics. 2020. V. 1868. № 5. P. 140376. https://doi.org/10.1016/j.bbapap.2020.140376Остерман Л.А. Методы исследования белков и нуклеиновых кислот: Электрофорез и ультрацентрифугирование, М.: Наука, 1981. 288 с.Pathuri I.P., Reitberger I.E., Hückelhoven R., Proels R.K. // J. Exp. Bot. 2011. V. 10. P. 3449–3457. https://doi.org/10.1093/jxb/err017Попов В.Н., Епринцев А.Т., Федорин Д.Н. // Физиология растений. 2007. Т. 54. № 3. С. 409‒415.Епринцев А.Т., Федорин Д.Н., Селиванова Н.В., Ву Т.Л., Махмуд А.С., Попов В.Н. // Физиология растений. 2012. Т. 59. № 3. С. 332–340.Jelski W., Laniewska-Dunaj M., Orywal K., Kochanowicz J., Rutkowski R., Szmitkowski M. // Neurochem Res. 2014. V. 39. P. 2313–2318.Детерман Г. Гель-хроматография. М.: Мир, 1970. C. 252.Tulchin N., Ornstein L., Davis B.J. // Anal. Biochem. 1976. V. 72. № 1−2. P. 485−490. https://doi.org/10.1016/0003-2697(76)90558-3Молекулярно-генетические и биохимические методы в современной биологии растений / Под.ред. Вл.В. Кузнецова, В.В. Кузнецова, Г.А. Романова. Эл. Издание. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. С. 487Маурер Г. Диск-электрофорез: Теория и практика электрофореза в полиакриламидном геле. Пер. с нем. М.: Мир, 1971. С. 248.Гааль Э., Медьеши Г., Верецкеи Л. Электрофорез в разделении биологических макромолекул. М.: Мир, 1982. C. 446.Laemmly U.K. // Nature. 1970. V. 77. № 4. P. 680−683. https://doi.org/10.1038/227680a0Shevchenko A., Wilm M., Vorm O., Mann M. // Anal. Chem. 1996. V. 68. № 5. P. 850−858. https://doi.org/10.1021/ac950914hZarei A., Brikis C.J., Bajwa V.S., Chiu G.Z., Simpson J.P. et al. // Frontiers in Plant Science. 2017. V. 8. P. 1399. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01399Bouché N., Fait A., Bouchez D., Moller S.G., Fromm H. // PNAS. 2003. V. 100. № 11. P. 6843−6848. https://doi.org/10.1073/pnas.1037532100Shelp B.J., Allan W.L., Faure D. //Plant-Environment Interactions From Sensory Plant Biology to Active Plant Behavior. / Ed. F. Baluska. Springer, 2009. P. 73−84. https://doi.org/10.1007/978-3-540-89230-4_4Bravo D.T., Harris D.O., Parsons S.M. // Journal of Forensic Sciences. 2004. V. 49. № 2. P. 379−387.