Isocitrate dehydrogenase catalyzes the chemical reactions:
Isocitrate + NAD+ ⇌ {displaystyle \rightleftharpoons } }.
2-oxoglutarate + CO2 + NADH + H+ Isocitrate + NADP+ ⇌ {displaystyle \rightleftharpoons } ⇌ ⇌ 2-oxoglutarate + CO2 + NADP+ ⇌ ⇌ ⇌ + CO2
2-oxoglutarate + CO2 + NADPH + H+
この反応の全体の自由エネルギーは-8.4 kJ/molである。
StepsEdit
クエン酸サイクルの中で、クエン酸の異性化により生成したイソクエン酸は、酸化と脱炭酸の両方を行う。 イソクエン酸デヒドロゲナーゼ（IDH）という酵素を使って、アルギニン、チロシン、アスパラギン、セリン、スレオニン、アスパラギン酸などのアミノ酸に囲まれた活性部位にイソクエン酸を保持させるのである。 最初のボックスは、イソクエン酸デヒドロゲナーゼの反応全体を示す。 この酵素機構が働くために必要な反応物は、イソクエン酸、NAD+/NADP+、およびMn2+またはMg2+である。 反応生成物はα-ケトグルタル酸、二酸化炭素、NADH + H+/NADPH + H+である。 水分子はイソクエン酸のオキシゲン（O3）を脱プロトン化するのに使われる。
2番目のボックスはステップ1で、α-C（C#2）の酸化反応である。 酸化はイソクエン酸が通る最初のステップです。 この過程では、NAD+/NADP+を電子受容性補因子として、α-炭素（C#2）からアルコール基を脱プロトン化し、電子はケトン基を形成してC#2からヒドリドを除去してα-Cに流れ込みます。 α-Cの酸化により、（次のステップで）カルボキシル基から電子が降りてきて、（二重結合酸素を作る）電子を酸素に押し戻すか、近くのリジンアミノ酸から近くのプロトンをつかむ位置が可能になる。 このステップでは、カルボキシル基の酸素が近くのチロシンアミノ酸によって脱プロトン化され、それらの電子が炭素2に流れ落ちます。 二酸化炭素は離脱基としてイソクエン酸のβ炭素を離れ、電子はα-Cのケトン酸素に流れ、α-Cの酸素に負の電荷を置き、炭素2と3の間にα-β不飽和二重結合が形成される。 α-Cの酸素上のローンペアは、近くのリジンアミノ酸からプロトンを拾う。
4番目のボックスは、炭素2と3の間のα-β不飽和二重結合の飽和であるステップ3である。 反応のこのステップでは、リジンはアルファ炭素から酸素を脱プロトン化し、アルファ炭素の酸素上の電子のローンペアは、ケトン二重結合を改質し、ローンペア（アルファとベータ炭素間の二重結合を形成）をオフに押して来て、近くのチロシンアミノ酸からプロトンを拾います。 この反応により、α-ケトグルタル酸、NADH + H+/NADPH + H+、および CO2 が生成されます。
詳細メカニズム編集
2つのアスパラギン酸アミノ酸残基（左下）は、Mn2+ イソシトレート豚 IDH 複合体の隣接する2つの水分子（w6 および w8）と相互作用してα炭素原子からアルコールを脱プロトン化する。 この図では、NAD+がヒドリドを受け入れてオキサロスクシネートが生成し、α-Cの酸化も起こっている。 α-Cの周りのsp3からsp2への立体化学的変化とともに、アルコール基からケトン基が形成される。 このケトン二重結合の形成により、カルボン酸基から降りてきた電子がケトンに向かって移動し、共鳴が起こる。
オキサロスクシネートの脱炭酸（中央下）は、α-ケトグルタレートの生成における重要なステップである。 この反応では、隣接するチロシン水酸基のローンペアが、カルボキシル基からプロトンを取り出す。 このカルボキシル基は、イソクエン酸分子のβサブユニットとも呼ばれる。 カルボキシル基の脱プロトン化により、単独電子が下に移動して二酸化炭素を作り、オキサロスクシネートと分離する。 電子はα炭素に向かって移動し続け、二重結合の電子（ケトンを作る）を押し上げ、隣接するリジン残基からプロトンを取り出す。 2番炭素と3番炭素の間にα-β不飽和二重結合ができる。 図にあるように、緑色のイオンはMg2+またはMn2+を表し、この反応が起こるために必要な補酵素である。 この金属イオンは、4番目と5番目の炭素上の酸素原子（イソクエン酸のガンマサブユニットとも呼ばれる）とイオン的相互作用を通じて小さな複合体を形成します。
脱炭酸のステップ（右下）でオキサロスクシンから二酸化炭素を分離した後、エノールはケトへと互変異性化します。 ケトン二重結合の形成は、最初に酸素をプロトン化したのと同じリジンがα炭素（C#2）から酸素を脱プロトン化することによって開始される。 このとき、二重結合を形成していた単独電子対を蹴落として、単独電子対が下に移動します。 この一対の電子は、脱炭酸の段階でカルボキシル基を脱プロトン化したチロシンからプロトンを取り出します。 リスとティル残基が前のステップと同じであると言える理由は、それらがイソクエン酸分子を酵素の活性部位に保持するのに役立っているからである。 これらの2つの残基は、基質に十分に近い限り、前後に水素結合を形成することができます。
 NAD+がヒドリッドを受け入れるために用いられる酸化還元酵素ステップです。
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 オキサロサクシネートを脱炭酸する。
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 アルファ-ベータ不飽和二重結合の飽和状態。
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上記のようにイソクエン酸脱水素酵素はα-ケトグルタル酸、二酸化炭素、NADH + H+/NADPH + H+を産生する。 この反応を通して起こった変化は3つある。 炭素2の酸化、炭素3の脱炭酸（二酸化炭素の損失）、そしてsp3からsp2への立体化学的変化を伴うケトン基の生成である。
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 Porcine Mitochondrial NADP+ dependent isocitrate dehydrogenase with Mn2+ and isocitrate complexs. イソクエン酸が極性アミノ酸によって結合されている活性部位ポケットの表面図。 |
 Porcine Mitochondrial NADP+-dependent Isocitrate Dehydrogenase with Mn2+ and Isocitrate Complexing.
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 Porcine Enzyme complex; Active site isocitrate and adjacent A.A.. |
活性部位編集
大腸菌のイソクエン酸デヒドロゲナーゼ（IDH）酵素構造は、解明され理解された最初の構造であった。 それ以来、大腸菌の IDH 構造は、ほとんどの研究者が他のイソクエン酸デヒドロゲナーゼ酵素との比較に用いている。 この細菌酵素については多くの詳細な知識があり、ほとんどのイソクエン酸デヒドロゲナーゼは構造が似ており、したがって機能も似ていることが判明している。 この構造と機能の類似性は、アミノ酸だけでなく、構造も保存されていると考える根拠となる。 したがって、ほとんどの原核生物イソクエン酸デヒドロゲナーゼ酵素の活性部位も保存されているはずであり、このことは原核生物酵素に関する多くの研究を通じて観察されている。 一方、真核生物のイソクエン酸デヒドロゲナーゼ酵素はまだ十分に発見されていない。IDHの各二量体は2つの活性部位を持つ。 各活性部位はNAD+/NADP+分子と2価の金属イオン（Mg2+、Mn2+）を結合する。 一般に、それぞれの活性部位には、特定の結合部位ごとに保存されたアミノ酸配列がある。 Desulfotalea psychrophila (DpIDH) とブタ (PcIDH) では活性部位に3つの基質が結合している。
- イソクエン酸は活性部位内で約8つのアミノ酸の保存配列に水素結合で結合している。 これらの酸には、（残基は異なるかもしれないが、同様の特性を持つ）チロシン、セリン、アスパラギン、アルギニン、アルギニン、チロシン、およびリジンが含まれる。 骨格上の位置は異なるが、いずれも近い範囲にある（例：Arg131 DpIDHとArg133 PcIDH、Tyr138 DpIDHとTyr140 PcIDHなど）。
- 金属イオン（Mg2+、Mn2+）は3つの保存されたアミノ酸と水素結合で結合する。 これらのアミノ酸は3つのアスパラギン酸残基を含む。
- NAD+とNADP+はIDH酵素の間で類似した性質を持つ4つの領域で活性部位に結合する。 これらの領域は様々であるが、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 。 ここでも領域は異なるが、近接した領域は保存されている。