De totale vrije energie voor deze reactie is -8,4 kJ/mol.

StappenEdit

In de citroenzuurcyclus ondergaat isocitraat, geproduceerd uit de isomerisatie van citraat, zowel oxidatie als decarboxylering. Met behulp van het enzym isocitraatdehydrogenase (IDH) wordt isocitraat binnen zijn actieve site gehouden door omringende arginine, tyrosine, asparagine, serine, threonine en asparaginezuur-aminozuren. Het eerste kader toont de algemene isocitraatdehydrogenase-reactie. De reactanten die nodig zijn om dit enzymmechanisme te laten werken zijn isocitraat, NAD+/NADP+, en Mn2+ of Mg2+. De producten van de reactie zijn alfa-ketoglutaraat, kooldioxide, en NADH + H+/NADPH + H+. Watermoleculen worden gebruikt om de oxygenen (O3) van isocitraat te helpen deprotoneren.

Het tweede vakje is stap 1, dat is de oxidatie van de alfa-C (C#2). Oxidatie is de eerste stap die isocitraat doorloopt. In dit proces wordt de alcoholgroep van de alfa-koolstof (C#2) gedeprotoneerd en stromen de elektronen naar de alfa-C waarbij een ketongroep wordt gevormd en een hydride van C#2 wordt verwijderd met behulp van NAD+/NADP+ als elektron-accepterende cofactor. De oxidatie van de alfa-C maakt een positie mogelijk waar elektronen (in de volgende stap) van de carboxylgroep naar beneden komen en de elektronen (die de dubbelgebonden zuurstof maken) terug op de zuurstof duwen of een nabijgelegen proton grijpen van een nabijgelegen Lysine aminozuur.

Het derde vakje is stap 2, die de decarboxylering van oxalosuccinaat is. In deze stap wordt de zuurstof van de carboxylgroep gedeprotoneerd door een nabijgelegen Tyrosine-aminozuur en die elektronen stromen naar beneden naar koolstof 2. Kooldioxide verlaat de bètakoolstof van isocitraat als een vertrekkende groep waarbij de elektronen naar de ketonzuurstof van de alfa-C stromen en een negatieve lading plaatsen op de zuurstof van de alfa-C en een alfa-bèta onverzadigde dubbele binding vormen tussen de koolhydraten 2 en 3. Het lone pair op de alfa-C zuurstof pikt een proton op van een nabijgelegen Lysine aminozuur.

Het vierde vakje is stap 3, dat is de verzadiging van de alfa-beta onverzadigde dubbele binding tussen de koolstaven 2 en 3. In deze stap van de reactie deprotoneert Lysine de zuurstof van de alfa-koolstof en het lone elektronenpaar op de zuurstof van de alfa-koolstof komt naar beneden, hervormt de keton-dubbele binding en duwt het lone paar (dat de dubbele binding vormt tussen de alfa en beta koolstof) weg, waarbij het een proton oppikt van het nabijgelegen Tyrosine aminozuur. Deze reactie resulteert in de vorming van alfa-ketoglutaraat, NADH + H+/NADPH + H+, en CO2.

Gedetailleerd mechanismeEdit

Twee aspartaat aminozuur residuen (linksonder) staan in wisselwerking met twee aangrenzende watermoleculen (w6 en w8) in het Mn2+ isocitraat porcine IDH complex om de alcohol van het alfa-koolstofatoom te deprotoneren. De oxidatie van de alfa-C vindt ook plaats in dit plaatje waar NAD+ een hydride accepteert resulterend in oxalosuccinaat. Samen met de sp3 naar sp2 stereochemische verandering rond de alfa-C, is er een ketongroep die gevormd wordt uit de alcoholgroep. Door de vorming van deze keton-dubbele binding kan resonantie plaatsvinden, omdat elektronen die van de carboxylaatgroep naar beneden komen, naar de keton bewegen.

De decarboxylering van oxalosuccinaat (onder het midden) is een belangrijke stap in de vorming van alfa-ketoglutaraat. In deze reactie onttrekt het lone paar op het aangrenzende Tyrosine hydroxyl het proton aan de carboxylgroep. Deze carboxylgroep wordt ook wel de bèta-subunit in het isocitraatmolecuul genoemd. De deprotonatie van de carboxylgroep zorgt ervoor dat het eenzame elektronenpaar naar beneden beweegt, waardoor kooldioxide ontstaat en het oxalosuccinaat wordt afgescheiden. De elektronen blijven naar de alfacarbonaat bewegen en duwen de elektronen van de dubbele binding (die de keton maakt) omhoog om een proton aan een aangrenzend lysineresidu te onttrekken. Er ontstaat een alfa-bèta onverzadigde dubbele binding tussen koolstof 2 en 3. Zoals je in het plaatje kunt zien, stelt het groene ion ofwel Mg2+ of Mn2+ voor, wat een cofactor is die nodig is om deze reactie te laten plaatsvinden. Het metaal-ion vormt een klein complex door ionische interacties met de zuurstofatomen op de vierde en vijfde koolstof (ook bekend als de gamma-subeenheid van isocitraat).

Nadat het kooldioxide is gesplitst van het oxalosuccinaat in de decarboxylatiestap (rechtsonder), zal het enol tautomeriseren tot de keto uit. De vorming van de keton dubbele binding wordt gestart door de deprotonatie van die zuurstof van de alfa-koolstof (C#2) door dezelfde lysine die de zuurstof protoneerde in de eerste plaats. Het lone elektronenpaar beweegt naar beneden en schopt de lone paren weg die de dubbele binding aan het maken waren. Dit elektronenpaar onttrekt een proton aan Tyrosine dat de carboxylgroep in de decarboxyleringsstap heeft gedeprotoneerd. De reden dat we kunnen zeggen dat de Lys- en Tyr-residuen dezelfde zullen zijn als in de vorige stap, is dat zij helpen bij het vasthouden van het isocitraatmolecuul in de actieve site van het enzym. Deze twee residuen zullen waterstofbruggen over en weer kunnen vormen zolang ze zich maar dicht genoeg bij het substraat bevinden.

Oxidoreductase stap waarbij NAD+ wordt gebruikt om een hydride te accepteren.

Decarboxylering van oxalosuccinaat.

Verzadiging van de alfa-bèta onverzadigde dubbele binding.

Het enzym isocitraatdehydrogenase produceert zoals gezegd alfa-ketoglutaraat, kooldioxide, en NADH + H+/NADPH + H+. Er zijn drie veranderingen die tijdens de reactie optreden. De oxidatie van koolstof 2, de decarboxylering (verlies van koolstofdioxide) van koolstof 3, en de vorming van een ketongroep met een stereochemische verandering van sp3 naar sp2.

Porcine Mitochondriaal NADP+-afhankelijk isocitraatdehydrogenase gecomplexeerd met Mn2+ en isocitraat. Oppervlaktebeeld van de actieve site pocket waar isocitraat wordt gebonden door polaire aminozuren.

Porcine Mitochondrial NADP+-dependent Isocitrate Dehydrogenase Complexed with Mn2+ and Isocitrate.

Porcine Enzymcomplex; Actieve site isocitraat en aangrenzend A.A.

Actieve siteEdit

Porcine IDH complex, Arg AA stabiliserend isocitraat in de actieve site. residuen Arg110, Arg133, en Arg101 zijn de drie belangrijkste stabiliserende aminozuren. Zij helpen isocitraat in de actieve zone en in de juiste oriëntatie te houden zodat isocitraatdehydrogenase kan plaatsvinden.

De structuur van het enzym isocitraatdehydrogenase (IDH) in Escherichia coli was de eerste structuur die werd opgehelderd en begrepen. Sindsdien is de Escherichia coli IDH structuur door de meeste onderzoekers gebruikt om vergelijkingen te maken met andere isocitraat dehydrogenase enzymen. Er is veel gedetailleerde kennis over dit bacteriële enzym, en men heeft ontdekt dat de meeste isocitraatdehydrogenases vergelijkbaar zijn qua structuur en dus ook qua functie. Deze gelijkenis in structuur en functie geeft reden om aan te nemen dat zowel de structuren als de aminozuren geconserveerd zijn. Daarom zouden de actieve sites van de meeste prokaryote isocitraat dehydrogenase enzymen ook geconserveerd moeten zijn, hetgeen in veel studies naar prokaryote enzymen wordt waargenomen. Eukaryote isocitraatdehydrogenase enzymen daarentegen zijn nog niet volledig ontdekt. Elk dimeer van IDH heeft twee actieve sites. Elke actieve plaats bindt een NAD+/NADP+ -molecuul en een tweewaardig metaalion (Mg2+,Mn2+). In het algemeen heeft elke actieve plaats een geconserveerde aminozuursequentie voor elke specifieke bindingsplaats. In Desulfotalea psychrophila (DpIDH) en varkens (PcIDH) zijn er drie substraten gebonden aan de actieve plaats.

1. Isocitraat bindt zich binnen de actieve plaats aan een geconserveerde reeks van ongeveer acht aminozuren door waterstofbruggen. Deze zuren omvatten (kunnen variëren in residu maar met vergelijkbare eigenschappen) tyrosine, serine, asparagine, arginine, arginine, tyrosine, en lysine. Hun posities op de ruggengraat variëren, maar zij liggen alle binnen een dicht bereik (d.w.z. Arg131 DpIDH en Arg133 PcIDH, Tyr138 DpIDH en Tyr140 PcIDH).
2. Het metaalion (Mg2+, Mn2+) bindt zich via waterstofbruggen aan drie geconserveerde aminozuren. Deze aminozuren omvatten drie aspartaatresiduen.
3. NAD+ en NADP+ binden zich binnen de actieve site in vier regio’s met vergelijkbare eigenschappen bij IDH-enzymen. Deze regio’s variëren, maar liggen rond , , , en . Ook hier variëren de regio’s, maar de nabijheid van de regio’s is geconserveerd.