L’isocitrate déshydrogénase catalyse les réactions chimiques :

Isocitrate + NAD+ ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons }

2-oxoglutarate + CO2 + NADH + H+ Isocitrate + NADP+ ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons }

2-oxoglutarate + CO2 + NADPH + H+

L’énergie libre globale de cette réaction est de -8,4 kJ/mol.

Mécanisme catalytique de la dégradation de l’isocitrate en oxalosuccinate, puis en un produit final d’alpha-cétoglutarate. L’intermédiaire oxalosuccinate est hypothétique ; il n’a jamais été observé dans la version décarboxylante de l’enzyme.

ÉtapesEdit

Au sein du cycle de l’acide citrique, l’isocitrate, produit par l’isomérisation du citrate, subit à la fois une oxydation et une décarboxylation. Grâce à l’enzyme isocitrate déshydrogénase (IDH), l’isocitrate est maintenu dans son site actif par des acides aminés environnants : arginine, tyrosine, asparagine, sérine, thréonine et acide aspartique. Le premier encadré montre la réaction globale de l’isocitrate déshydrogénase. Les réactifs nécessaires au fonctionnement de ce mécanisme enzymatique sont l’isocitrate, le NAD+/NADP+, et le Mn2+ ou le Mg2+. Les produits de la réaction sont l’alpha-cétoglutarate, le dioxyde de carbone et NADH + H+/NADPH + H+. Les molécules d’eau sont utilisées pour aider à déprotoner les oxygènes (O3) de l’isocitrate.

La deuxième case est l’étape 1, qui est l’oxydation de l’alpha-C (C#2). L’oxydation est la première étape par laquelle passe l’isocitrate. Dans ce processus, le groupe alcool du carbone alpha (C#2) est déprotoné et les électrons circulent vers l’alpha-C formant un groupe cétone et retirant un hydrure du C#2 en utilisant NAD+/NADP+ comme cofacteur accepteur d’électrons. L’oxydation de l’alpha-C permet une position où les électrons (dans l’étape suivante) descendront du groupe carboxyle et repousseront les électrons (faisant l’oxygène à double liaison) sur l’oxygène ou saisiront un proton proche d’un acide aminé Lysine voisin.

La troisième case est l’étape 2, qui est la décarboxylation de l’oxalosuccinate. Dans cette étape, l’oxygène du groupe carboxyle est déprotoné par un acide aminé Tyrosine voisin et ces électrons descendent vers le carbone 2. Le dioxyde de carbone quitte le carbone bêta de l’isocitrate en tant que groupe partant, les électrons circulant vers l’oxygène de la cétone de l’alpha-C, plaçant une charge négative sur l’oxygène de l’alpha-C et formant une double liaison insaturée alpha-bêta entre les carbones 2 et 3. Le couple solitaire sur l’oxygène de l’alpha-C capte un proton d’un acide aminé Lysine voisin.

La quatrième case est l’étape 3, qui est la saturation de la double liaison insaturée alpha-bêta entre les carbones 2 et 3. Dans cette étape de la réaction, la lysine déprotonise l’oxygène du carbone alpha et le couple d’électrons solitaires sur l’oxygène du carbone alpha descend en reformant la double liaison cétonique et en repoussant le couple solitaire (formant la double liaison entre le carbone alpha et bêta), récupérant un proton de l’acide aminé tyrosine voisin. Cette réaction aboutit à la formation d’alpha-cétoglutarate, de NADH + H+/NADPH + H+, et de CO2.

Mécanisme détailléEdit

Deux résidus d’acide aminé aspartate (en bas à gauche) interagissent avec deux molécules d’eau adjacentes (w6 et w8) dans le complexe IDH porcin isocitrate Mn2+ pour déprotoner l’alcool de l’atome de carbone alpha. L’oxydation de l’alpha-C a également lieu dans cette image où le NAD+ accepte un hydrure résultant en oxalosuccinate. Parallèlement au changement stéréochimique de sp3 à sp2 autour de l’alpha-C, un groupe cétone est formé à partir du groupe alcool. La formation de cette double liaison cétonique permet à la résonance d’avoir lieu car les électrons descendant du groupe carboxylate partant se déplacent vers la cétone.

La décarboxylation de l’oxalosuccinate (ci-dessous au centre) est une étape clé dans la formation de l’alpha-cétoglutarate. Dans cette réaction, le doublet solitaire sur l’hydroxyle adjacent de la Tyrosine extrait le proton du groupe carboxyle. Ce groupe carboxyle est également appelé sous-unité bêta dans la molécule d’isocitrate. La déprotonation du groupe carboxyle entraîne le déplacement de la paire d’électrons solitaires vers le bas, ce qui produit du dioxyde de carbone et sépare l’oxalosuccinate. Les électrons continuent à se déplacer vers le carbone alpha, poussant les électrons de la double liaison (formant la cétone) vers le haut pour extraire un proton d’un résidu de lysine adjacent. Il en résulte une double liaison insaturée alpha-bêta entre les carbones 2 et 3. Comme vous pouvez le voir sur l’image, l’ion vert représente Mg2+ ou Mn2+, qui est un cofacteur nécessaire pour que cette réaction ait lieu. L’ion métallique forme un petit complexe par le biais d’interactions ioniques avec les atomes d’oxygène sur les quatrième et cinquième carbones (également connu sous le nom de sous-unité gamma de l’isocitrate).

Après que le dioxyde de carbone soit séparé de l’oxalosuccinate dans l’étape de décarboxylation (en bas à droite), l’énol se tautomérise en cétone de. La formation de la double liaison cétonique est déclenchée par la déprotonation de l’oxygène du carbone alpha (C#2) par la même lysine qui a protoné l’oxygène en premier lieu. La paire d’électrons solitaires se déplace vers le bas en éliminant les paires solitaires qui créaient la double liaison. Cette paire d’électrons solitaires extrait un proton de la tyrosine qui a déprotoné le groupe carboxyle lors de l’étape de décarboxylation. La raison pour laquelle nous pouvons dire que les résidus Lys et Tyr seront les mêmes qu’à l’étape précédente est qu’ils aident à maintenir la molécule d’isocitrate dans le site actif de l’enzyme. Ces deux résidus pourront former des liaisons hydrogène dans les deux sens tant qu’ils sont assez proches du substrat.

Étape de l’oxydoréductase où le NAD+ est utilisé pour accepter un hydrure.

Décarboxylation de l’oxalosuccinate.

Saturation de la double liaison insaturée alpha-bêta.

L’enzyme isocitrate déshydrogénase telle qu’énoncée ci-dessus produit de l’alpha-cétoglutarate, du dioxyde de carbone et du NADH + H+/NADPH + H+. Trois changements se produisent au cours de la réaction. L’oxydation du carbone 2, la décarboxylation (perte de dioxyde de carbone) du carbone 3, et la formation d’un groupe cétone avec un changement stéréochimique de sp3 à sp2.

Isocitrate déshydrogénase mitochondriale porcine NADP+-dépendante complexée avec Mn2+ et isocitrate. Vue de surface de la poche du site actif où l’isocitrate est lié par des acides aminés polaires.

Isocitrate déshydrogénase mitochondriale porcine NADP+-dépendante complexée avec Mn2+ et l’isocitrate.

Complexe enzymatique porcin ; site actif isocitrate et A.A. adjacent.

Site actifEdit

Complexe IDH porcin, Arg AA stabilisant l’isocitrate dans le site actif. Les résidus Arg110, Arg133, et Arg101 sont les trois principaux acides aminés stabilisateurs. Ils aident à maintenir l’isocitrate dans le site actif et dans la bonne orientation pour que l’isocitrate déshydrogénase se déroule.

La structure de l’enzyme isocitrate déshydrogénase (IDH) chez Escherichia coli a été la première structure à être élucidée et comprise. Depuis lors, la structure de l’IDH d’Escherichia coli a été utilisée par la plupart des chercheurs pour faire des comparaisons avec d’autres enzymes isocitrate déshydrogénase. Il existe de nombreuses connaissances détaillées sur cette enzyme bactérienne, et il a été constaté que la plupart des isocitrate déshydrogénases sont similaires dans leur structure et donc aussi dans leur fonction. Cette similitude de structure et de fonction donne une raison de croire que les structures sont conservées ainsi que les acides aminés. Par conséquent, les sites actifs de la plupart des enzymes isocitrate déshydrogénases procaryotes devraient également être conservés, ce qui est observé dans de nombreuses études réalisées sur les enzymes procaryotes. Les enzymes isocitrate déshydrogénases eucaryotes, en revanche, n’ont pas encore été entièrement découvertes.Chaque dimère de l’IDH possède deux sites actifs. Chaque site actif lie une molécule de NAD+/NADP+ et un ion métallique divalent (Mg2+, Mn2+). En général, chaque site actif possède une séquence conservée d’acides aminés pour chaque site de liaison spécifique. Chez Desulfotalea psychrophila (DpIDH) et porcine (PcIDH), il y a trois substrats liés au site actif.

1. L’isocitrate se lie au sein du site actif à une séquence conservée d’environ huit acides aminés par des liaisons hydrogène. Ces acides comprennent (peuvent varier en résidus mais avec des propriétés similaires) la tyrosine, la sérine, l’asparagine, l’arginine, l’arginine, la tyrosine et la lysine. Leurs positions sur le squelette varient mais elles sont toutes dans un intervalle proche (par exemple Arg131 DpIDH et Arg133 PcIDH, Tyr138 DpIDH et Tyr140 PcIDH).
2. L’ion métallique (Mg2+, Mn2+) se lie à trois acides aminés conservés par des liaisons hydrogène. Ces acides aminés comprennent trois résidus Aspartate.
3. Le NAD+ et le NADP+ se lient au sein du site actif dans quatre régions aux propriétés similaires parmi les enzymes IDH. Ces régions varient mais se situent autour de , , , et . Là encore les régions varient mais la proximité des régions est conservée.