La Isocitrato deshidrogenasa cataliza las reacciones químicas:
Isocitrato + NAD+ ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons }
2-oxoglutarato + CO2 + NADH + H+ Isocitrato + NADP+ ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons }
2-oxoglutarato + CO2 + NADPH + H+
La energía libre global para esta reacción es de -8,4 kJ/mol.
PasosEditar
Dentro del ciclo del ácido cítrico, el isocitrato, producido a partir de la isomerización del citrato, sufre tanto oxidación como descarboxilación. Mediante la enzima isocitrato deshidrogenasa (IDH), el isocitrato se mantiene dentro de su sitio activo gracias a los aminoácidos circundantes arginina, tirosina, asparagina, serina, treonina y ácido aspártico. El primer cuadro muestra la reacción global de la isocitrato deshidrogenasa. Los reactivos necesarios para que este mecanismo enzimático funcione son isocitrato, NAD+/NADP+ y Mn2+ o Mg2+. Los productos de la reacción son alfa-cetoglutarato, dióxido de carbono y NADH + H+/NADPH + H+. Las moléculas de agua se utilizan para ayudar a desprotonar los oxígenos (O3) del isocitrato.
El segundo cuadro es el Paso 1, que es la oxidación del alfa-C (C#2). La oxidación es el primer paso por el que pasa el isocitrato. En este proceso, el grupo de alcohol del carbono alfa (C#2) es desprotonado y los electrones fluyen hacia el alfa-C formando un grupo cetona y eliminando un hidruro del C#2 usando NAD+/NADP+ como cofactor de aceptación de electrones. La oxidación del alfa-C permite una posición en la que los electrones (en el siguiente paso) bajarán del grupo carboxilo y empujarán a los electrones (haciendo el oxígeno de doble enlace) de vuelta al oxígeno o agarrando un protón cercano de un aminoácido de lisina cercano.
El tercer cuadro es el Paso 2, que es la descarboxilación del oxalosuccinato. En este paso, el oxígeno del grupo carboxilo es desprotonado por un aminoácido tirosina cercano y esos electrones fluyen hacia el carbono 2. El dióxido de carbono deja el carbono beta del isocitrato como grupo saliente con los electrones que fluyen hacia el oxígeno de la cetona del alfa-C colocando una carga negativa en el oxígeno del alfa-C y formando un doble enlace insaturado alfa-beta entre los carbonos 2 y 3. El par solitario en el oxígeno del alfa-C recoge un protón de un aminoácido de lisina cercano.
El cuarto cuadro es el paso 3, que es la saturación del doble enlace insaturado alfa-beta entre los carbonos 2 y 3. En este paso de la reacción, la lisina desprotoniza el oxígeno del carbono alfa y el par de electrones solitarios del oxígeno del carbono alfa desciende reformando el doble enlace cetónico y empujando el par solitario (que forma el doble enlace entre el carbono alfa y el beta), recogiendo un protón del aminoácido tirosina cercano. Esta reacción resulta en la formación de alfa-cetoglutarato, NADH + H+/NADPH + H+, y CO2.
Mecanismo detalladoEditar
Dos residuos de aminoácido aspartato (abajo a la izquierda) están interactuando con dos moléculas de agua adyacentes (w6 y w8) en el complejo IDH porcino de isocitrato Mn2+ para desprotonar el alcohol del átomo de carbono alfa. La oxidación del alfa-C también tiene lugar en esta imagen donde el NAD+ acepta un hidruro dando lugar al oxalosuccinato. Junto con el cambio estereoquímico de sp3 a sp2 alrededor del alfa-C, hay un grupo cetona que se forma a partir del grupo alcohol. La formación de este doble enlace cetónico permite que la resonancia tenga lugar ya que los electrones que bajan del grupo carboxilato saliente se mueven hacia la cetona.
La descarboxilación del oxalosuccinato (debajo del centro) es un paso clave en la formación del alfa-cetoglutarato. En esta reacción, el par solitario del hidroxilo adyacente de la tirosina abstrae el protón del grupo carboxilo. Este grupo carboxilo también se denomina subunidad beta en la molécula de isocitrato. La desprotonación del grupo carboxilo hace que el par solitario de electrones se desplace hacia abajo formando dióxido de carbono y separándose del oxalosuccinato. Los electrones continúan moviéndose hacia el carbono alfa empujando los electrones del doble enlace (haciendo la cetona) hacia arriba para abstraer un protón de un residuo de lisina adyacente. El resultado es un doble enlace insaturado alfa-beta entre los carbonos 2 y 3. Como puede ver en la imagen, el ion verde representa el Mg2+ o el Mn2+, que es un cofactor necesario para que se produzca esta reacción. El ion metálico forma un pequeño complejo a través de interacciones iónicas con los átomos de oxígeno de los carbonos cuarto y quinto (también conocidos como la subunidad gamma del isocitrato).
Después de que el dióxido de carbono se separe del oxalosuccinato en el paso de descarboxilación (abajo a la derecha), el enol se tautomerizará a la ceto de. La formación del doble enlace de la cetona se inicia por la desprotonación de ese oxígeno del carbono alfa (C#2) por la misma lisina que protonó el oxígeno en primer lugar. El par solitario de electrones se mueve hacia abajo expulsando a los pares solitarios que estaban haciendo el doble enlace. Este par de electrones solitarios abstrae un protón de la tirosina que desprotonó el grupo carboxilo en el paso de descarboxilación. La razón por la que podemos decir que los residuos Lys y Tyr serán los mismos del paso anterior es porque están ayudando a mantener la molécula de isocitrato en el sitio activo de la enzima. Estos dos residuos podrán formar enlaces de hidrógeno de ida y vuelta siempre que estén lo suficientemente cerca del sustrato.
 Paso de la oxidorreductasa donde se utiliza el NAD+ para aceptar un hidruro.
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 Descarboxilación del oxalosuccinato.
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 Saturación del doble enlace insaturado alfa-beta.
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La enzima isocitrato deshidrogenasa, como se ha dicho, produce alfa-cetoglutarato, dióxido de carbono y NADH + H+/NADPH + H+. Hay tres cambios que ocurren a lo largo de la reacción. La oxidación del carbono 2, la descarboxilación (pérdida de dióxido de carbono) del carbono 3, y la formación de un grupo cetona con un cambio estereoquímico de sp3 a sp2.
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 Mitochondrial porcina dependiente de NADP+ isocitrato deshidrogenasa complejada con Mn2+ e isocitrato. Vista de la superficie del bolsillo del sitio activo donde el isocitrato está unido por aminoácidos polares.
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 Isocitrato deshidrogenasa mitocondrial porcina complejada con Mn2+ e isocitrato.
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 Complejo enzimático porcino; sitio activo de isocitrato y A.A. adyacente.
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Sitio activoEditar
La estructura de la enzima isocitrato deshidrogenasa (IDH) de Escherichia coli fue la primera estructura en ser dilucidada y comprendida. Desde entonces, la estructura de la IDH de Escherichia coli ha sido utilizada por la mayoría de los investigadores para hacer comparaciones con otras enzimas isocitrato deshidrogenasa. Se tiene un conocimiento muy detallado de esta enzima bacteriana, y se ha descubierto que la mayoría de las isocitrato deshidrogenasas son similares en su estructura y, por tanto, también en su función. Esta similitud de estructura y función da una razón para creer que las estructuras se conservan al igual que los aminoácidos. Por lo tanto, los sitios activos entre la mayoría de las enzimas isocitrato deshidrogenasas procariotas también deberían estar conservados, lo que se observa a lo largo de muchos estudios realizados sobre enzimas procariotas. Por otro lado, las enzimas isocitrato deshidrogenasa eucariotas aún no se han descubierto del todo. Cada sitio activo une una molécula de NAD+/NADP+ y un ion metálico divalente (Mg2+,Mn2+). En general, cada sitio activo tiene una secuencia conservada de aminoácidos para cada sitio de unión específico. En Desulfotalea psychrophila (DpIDH) y en el cerdo (PcIDH) hay tres sustratos unidos al sitio activo.
- El isocitrato se une dentro del sitio activo a una secuencia conservada de unos ocho aminoácidos mediante enlaces de hidrógeno. Estos ácidos incluyen (pueden variar en residuos pero con propiedades similares) tirosina, serina, asparagina, arginina, arginina, tirosina y lisina. Sus posiciones en la espina dorsal varían pero todas están dentro de un rango cercano (es decir, Arg131 DpIDH y Arg133 PcIDH, Tyr138 DpIDH y Tyr140 PcIDH).
- El ion metálico (Mg2+, Mn2+) se une a tres aminoácidos conservados mediante enlaces de hidrógeno. Estos aminoácidos incluyen tres residuos de Aspartato.
- El NAD+ y el NADP+ se unen dentro del sitio activo en cuatro regiones con propiedades similares entre las enzimas IDH. Estas regiones varían pero están alrededor de , , , y . De nuevo las regiones varían pero la proximidad de las regiones se conservan.