L’isocitrato deidrogenasi catalizza le reazioni chimiche:
Isocitrato + NAD+ ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons }
2-oxoglutarato + CO2 + NADH + H+ Isocitrato + NADP+ ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons }
2-ossoglutarato + CO2 + NADPH + H+
L’energia libera complessiva per questa reazione è -8,4 kJ/mol.
StepsEdit
Nel ciclo dell’acido citrico, l’isocitrato, prodotto dall’isomerizzazione del citrato, subisce sia l’ossidazione che la decarbossilazione. Utilizzando l’enzima isocitrato deidrogenasi (IDH), l’isocitrato è trattenuto all’interno del suo sito attivo dagli aminoacidi circostanti arginina, tirosina, asparagina, serina, treonina e acido aspartico. Il primo riquadro mostra la reazione complessiva dell’isocitrato deidrogenasi. I reagenti necessari per il funzionamento di questo meccanismo enzimatico sono isocitrato, NAD+/NADP+, e Mn2+ o Mg2+. I prodotti della reazione sono alfa-chetoglutarato, anidride carbonica e NADH + H+/NADPH + H+. Le molecole d’acqua sono usate per aiutare a deprotonare gli ossigeni (O3) dell’isocitrato.
La seconda casella è il passo 1, che è l’ossidazione dell’alfa-C (C#2). L’ossidazione è il primo passo che attraversa l’isocitrato. In questo processo, il gruppo alcolico dell’alfa-carbonio (C#2) viene deprotonato e gli elettroni fluiscono verso l’alfa-C formando un gruppo chetonico e rimuovendo un idruro dal C#2 usando NAD+/NADP+ come cofattore che accetta elettroni. L’ossidazione dell’alfa-C permette una posizione in cui gli elettroni (nella fase successiva) scenderanno dal gruppo carbossilico e spingeranno gli elettroni (facendo il doppio legame con l’ossigeno) di nuovo sull’ossigeno o afferrando un protone vicino da un vicino aminoacido lisina.
La terza casella è la fase 2, che è la decarbossilazione dell’ossalosuccinato. In questa fase, l’ossigeno del gruppo carbossilico viene deprotonato da un vicino aminoacido tirosina e quegli elettroni scendono al carbonio 2. L’anidride carbonica lascia il carbonio beta dell’isocitrato come gruppo di partenza con gli elettroni che scorrono verso l’ossigeno chetonico fuori dall’alfa-C ponendo una carica negativa sull’ossigeno dell’alfa-C e formando un doppio legame insaturo alfa-beta tra i carboni 2 e 3. La coppia solitaria sull’ossigeno dell’alfa-C prende un protone da un vicino aminoacido lisina.
La quarta casella è il passo 3, che è la saturazione del doppio legame insaturo alfa-beta tra i carboni 2 e 3. In questa fase della reazione, la lisina deprotonata l’ossigeno dal carbonio alfa e la coppia solitaria di elettroni sull’ossigeno del carbonio alfa scende riformando il doppio legame chetonico e spingendo la coppia solitaria (che forma il doppio legame tra il carbonio alfa e beta) fuori, raccogliendo un protone dal vicino aminoacido tirosina. Questa reazione si traduce nella formazione di alfa-chetoglutarato, NADH + H+/NADPH + H+, e CO2.
Meccanismo dettagliatoModifica
Due residui di aminoacido aspartato (sotto a sinistra) interagiscono con due molecole di acqua adiacenti (w6 e w8) nel complesso Mn2+ isocitrato IDH porcino per deprotonare l’alcol fuori dall’atomo di carbonio alfa. L’ossidazione dell’alfa-C avviene anche in questo quadro dove il NAD+ accetta un idruro risultante in ossalosuccinato. Insieme al cambiamento stereochimico da sp3 a sp2 intorno all’alfa-C, c’è un gruppo chetonico che si forma dal gruppo alcolico. La formazione di questo doppio legame chetonico permette la risonanza in quanto gli elettroni che scendono dal gruppo carbossilato in uscita si muovono verso il chetone.
La decarbossilazione dell’ossalosuccinato (sotto al centro) è un passo chiave nella formazione dell’alfa-chetoglutarato. In questa reazione, la coppia solitaria sull’idrossile della tirosina adiacente estrae il protone dal gruppo carbossilico. Questo gruppo carbossilico è anche indicato come la subunità beta nella molecola dell’isocitrato. La deprotonazione del gruppo carbossilico fa sì che la coppia solitaria di elettroni si sposti verso il basso creando anidride carbonica e separandosi dall’ossalosuccinato. Gli elettroni continuano a muoversi verso il carbonio alfa spingendo gli elettroni del doppio legame (facendo il chetone) verso l’alto per estrarre un protone da un residuo di lisina adiacente. Un doppio legame insaturo alfa-beta risulta tra il carbonio 2 e il tre. Come potete vedere nell’immagine, lo ione verde rappresenta Mg2+ o Mn2+, che è un cofattore necessario per questa reazione. Lo ione metallico forma un piccolo complesso attraverso le interazioni ioniche con gli atomi di ossigeno sul quarto e quinto carbonio (noto anche come la subunità gamma dell’isocitrato).
Dopo che l’anidride carbonica è scissa dall’ossalosuccinato nella fase di decarbossilazione (sotto a destra), l’enolo si tautomerizza al cheto da. La formazione del doppio legame chetonico è iniziata dalla deprotonazione dell’ossigeno dal carbonio alfa (C#2) da parte della stessa lisina che ha protonato l’ossigeno in primo luogo. La coppia solitaria di elettroni si sposta verso il basso, cacciando via le coppie solitarie che stavano creando il doppio legame. Questa coppia solitaria di elettroni estrae un protone dalla tirosina che ha deprotonato il gruppo carbossilico nella fase di decarbossilazione. La ragione per cui possiamo dire che i residui Lys e Tyr saranno gli stessi del passo precedente è perché aiutano a tenere la molecola di isocitrato nel sito attivo dell’enzima. Questi due residui saranno in grado di formare legami a idrogeno avanti e indietro finché sono abbastanza vicini al substrato.
 Passo dell’ossidoreduttasi dove il NAD+ è usato per accettare un idruro.
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 Decarbossilazione dell’ossalosuccinato.
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 Saturazione del doppio legame insaturo alfa-beta.
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L’enzima isocitrato deidrogenasi come detto sopra produce alfa-chetoglutarato, anidride carbonica e NADH + H+/NADPH + H+. Ci sono tre cambiamenti che avvengono durante la reazione. L’ossidazione del carbonio 2, la decarbossilazione (perdita di anidride carbonica) dal carbonio 3 e la formazione di un gruppo chetonico con un cambiamento stereochimico da sp3 a sp2.
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 Mitocondriale porcino NADP+-dipendente isocitrato deidrogenasi complessato con Mn2+ e isocitrato. Vista superficiale della tasca del sito attivo dove l’isocitrato è legato da aminoacidi polari.
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 Deidrogenasi mitocondriale porcina NADP+-dipendente complessa con Mn2+ e isocitrato.
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 Complesso enzimatico suino; sito attivo isocitrato e A.A. adiacente.
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Sito attivoModifica
La struttura dell’enzima Isocitrato Deidrogenasi (IDH) in Escherichia coli è stata la prima struttura ad essere chiarita e compresa. Da allora, la struttura dell’Escherichia coli IDH è stata usata dalla maggior parte dei ricercatori per fare confronti con altri enzimi isocitrato deidrogenasi. Ci sono molte conoscenze dettagliate su questo enzima batterico, e si è scoperto che la maggior parte delle isocitrato deidrogenasi sono simili nella struttura e quindi anche nella funzione. Questa somiglianza di struttura e funzione dà motivo di credere che le strutture siano conservate così come gli amminoacidi. Pertanto, anche i siti attivi tra la maggior parte degli enzimi procarioti isocitrato deidrogenasi dovrebbero essere conservati, cosa che si osserva in molti studi fatti sugli enzimi procarioti. Gli enzimi eucariotici isocitrato deidrogenasi, d’altra parte, non sono ancora stati completamente scoperti. Ogni sito attivo lega una molecola di NAD+/NADP+ e uno ione metallico divalente (Mg2+, Mn2+). In generale, ogni sito attivo ha una sequenza conservata di amminoacidi per ogni specifico sito di legame. Nella Desulfotalea psychrophila (DpIDH) e nella suina (PcIDH) ci sono tre substrati legati al sito attivo.
- L’isocitrato si lega all’interno del sito attivo a una sequenza conservata di circa otto aminoacidi attraverso legami a idrogeno. Questi acidi includono (possono variare nel residuo ma con proprietà simili) tirosina, serina, asparagina, arginina, arginina, tirosina e lisina. Le loro posizioni sulla spina dorsale variano, ma sono tutte in un intervallo vicino (ad esempio Arg131 DpIDH e Arg133 PcIDH, Tyr138 DpIDH e Tyr140 PcIDH).
- Lo ione metallo (Mg2+, Mn2+) si lega a tre aminoacidi conservati attraverso legami a idrogeno. Questi amminoacidi includono tre residui di Aspartato.
- NAD+ e NADP+ si legano nel sito attivo in quattro regioni con proprietà simili tra gli enzimi IDH. Queste regioni variano ma sono intorno a , , , e . Anche in questo caso le regioni variano, ma la vicinanza delle regioni è conservata.