Isocitratdehydrogenas katalyserar de kemiska reaktionerna:
Isocitrat + NAD+ ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons }
2-oxoglutarat + CO2 + NADH + H+ Isocitrat + NADP+ ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons }
2-oxoglutarat + CO2 + NADPH + H+
Den totala fria energin för denna reaktion är -8,4 kJ/mol.
StepsEdit
I citronsyracykeln genomgår isocitrat, som produceras genom isomerisering av citrat, både oxidation och dekarboxylering. Med hjälp av enzymet isocitratdehydrogenas (IDH) hålls isocitratet i sin aktiva plats av omgivande arginin-, tyrosin-, asparagin-, serin-, threonin- och asparaginsyraaminosyror. Den första rutan visar den övergripande isocitratdehydrogenasreaktionen. De reaktanter som krävs för att denna enzymmekanism ska fungera är isocitrat, NAD+/NADP+ och Mn2+ eller Mg2+. Reaktionens produkter är alfa-ketoglutarat, koldioxid och NADH + H+/NADPH + H+. Vattenmolekyler används för att hjälpa till att deprotonera oxygenerna (O3) i isocitrat.
Den andra rutan är steg 1, vilket är oxidationen av alfa-C (C#2). Oxidationen är det första steget som isocitrat genomgår. I denna process deprotoneras alkoholgruppen utanför alfakolet (C#2) och elektronerna flödar till alfa-C och bildar en ketongrupp och avlägsnar en hydrid från C#2 med hjälp av NAD+/NADP+ som en elektronacceptant kofaktor. Oxidationen av alfa-C möjliggör en position där elektroner (i nästa steg) kommer ner från karboxylgruppen och skjuter elektronerna (som bildar det dubbelbundna syret) tillbaka upp på syret eller tar en närliggande proton från en närliggande lysinaminosyra.
Den tredje rutan är steg 2, vilket är dekarboxyleringen av oxalosuccinat. I detta steg deprotoneras karboxylgruppens syre av en närliggande tyrosinaminosyra och dessa elektroner flödar ner till kol 2. Koldioxiden lämnar isocitratets betakol som en avgångsgrupp med elektronerna som flödar till ketonsyret från alfa-C, vilket ger en negativ laddning på syret i alfa-C och bildar en omättad dubbelbindning alfa-beta mellan kolväte 2 och 3. Det ensamma paret på alfa-C-syret tar upp en proton från en närliggande lysinaminosyra.
Den fjärde rutan är steg 3, vilket är mättnaden av den omättade alfa-beta-dubbelbindningen mellan kolvätena 2 och 3. I detta steg av reaktionen deprotonerar lysin syret från alfakolet och det ensamma elektronparet på syret på alfakolet kommer ner och reformerar ketondubbelbindningen och trycker bort det ensamma paret (som bildar dubbelbindningen mellan alfa- och betakolet) och tar upp en proton från den närliggande tyrosinaminosyran. Denna reaktion resulterar i bildandet av alfa-ketoglutarat, NADH + H+/NADPH + H+ och CO2.
Detaljerad mekanismRedigera
Två aspartataminosyrarester (nedan till vänster) interagerar med två intilliggande vattenmolekyler (w6 och w8) i Mn2+-isocitrat-porcine IDH-komplexet för att deprotonera alkoholen från alfa-kolatomen. Oxidationen av alfa-C-ämnet sker också i denna bild där NAD+ tar emot en hydrid vilket resulterar i oxalosuccinat. Tillsammans med den stereokemiska förändringen från sp3 till sp2 runt alfa-C bildas en ketongrupp från alkoholgruppen. Bildandet av denna ketondubbelbindning gör det möjligt för resonans att äga rum då elektroner som kommer ner från den avgående karboxylatgruppen rör sig mot ketonet.
Dekarboxyleringen av oxalosuccinat (nedan i mitten) är ett viktigt steg i bildandet av alfa-ketoglutarat. I denna reaktion abstraherar det ensamma paret på den intilliggande tyrosinhydroxylen protonen från karboxylgruppen. Denna karboxylgrupp kallas också för beta-subenheten i isocitratmolekylen. Deprotoneringen av karboxylgruppen gör att det ensamma elektronparet rör sig nedåt och bildar koldioxid och separerar från oxalosuccinat. Elektronerna fortsätter att röra sig mot alfakolet och driver dubbelbindningselektronerna (som bildar ketonet) uppåt för att ta bort en proton från en intilliggande lysinrest. En alfa-beta omättad dubbelbindning uppstår mellan kol 2 och 3. Som du kan se på bilden representerar den gröna jonen antingen Mg2+ eller Mn2+, som är en kofaktor som är nödvändig för att denna reaktion ska kunna ske. Metalljonen bildar ett litet komplex genom joniska interaktioner med syreatomerna på den fjärde och femte kolvätena (även känd som isocitratets gamma-underenhet).
När koldioxiden har spjälkats från oxalosuccinatet i dekarboxyleringssteget (nedan till höger), kommer enolen att tautomeriseras till keto från. Bildandet av ketondubbelbindningen inleds genom deprotonering av detta syre från alfakolet (C#2) av samma lysin som protonerade syret från början. Det ensamma elektronparet rör sig nedåt och sparkar bort de ensamma par som bildade dubbelbindningen. Detta ensamma elektronpar tar bort en proton från tyrosinet som deprotonerade karboxylgruppen i dekarboxyleringssteget. Anledningen till att vi kan säga att Lys- och Tyrresterna kommer att vara desamma som i föregående steg är att de hjälper till att hålla isocitratmolekylen i enzymets aktiva plats. Dessa två rester kommer att kunna bilda vätebindningar fram och tillbaka så länge de är tillräckligt nära substratet.
 Oxidoreduktassteg där NAD+ används för att ta emot en hydrid.
|
 Dekarboxylering av oxalosuccinat.
|
 Mättnad av den omättade dubbelbindningen alfa-beta.
|
Enzymet isocitratdehydrogenas enligt ovan producerar alfa-ketoglutarat, koldioxid och NADH + H+/NADPH + H+. Det finns tre förändringar som inträffade under hela reaktionen. Oxidationen av kol 2, dekarboxyleringen (förlust av koldioxid) av kol 3 och bildandet av en ketongrupp med en stereokemisk förändring från sp3 till sp2.
 |
 Porcint mitokondriellt NADP+ -beroende isocitratdehydrogenas komplexerat med Mn2+ och isocitrat. Ytavbildning av fickan på den aktiva platsen där isocitrat är bundet av polära aminosyror.
|
 Porcint mitokondriellt NADP+-beroende isocitratdehydrogenas komplexerat med Mn2+ och isocitrat.
|
 Porcint enzymkomplex; Isocitrat på den aktiva platsen och intilliggande A.A.
|
Aktiv platsRedigera
Enzymstrukturen för isocitratdehydrogenas (IDH) i Escherichia coli var den första strukturen som klarades upp och förstods. Sedan dess har Escherichia coli IDH-strukturen använts av de flesta forskare för att göra jämförelser med andra isocitratdehydrogenasenzymer. Det finns mycket detaljerad kunskap om detta bakteriella enzym, och man har funnit att de flesta isocitratdehydrogenaser liknar varandra i struktur och därmed också i funktion. Denna likhet i struktur och funktion ger anledning att tro att strukturerna är bevarade liksom aminosyrorna. Därför bör de aktiva platserna bland de flesta prokaryotiska isocitratdehydrogenasenzymer också vara bevarade, vilket har observerats i många studier som gjorts på prokaryotiska enzymer. Eukaryotiska isocitratdehydrogenasenzymer har däremot ännu inte upptäckts fullt ut.Varje dimer av IDH har två aktiva platser. Varje aktiv plats binder en NAD+/NADP+-molekyl och en tvåvärt metalljon (Mg2+,Mn2+). I allmänhet har varje aktiv plats en bevarad sekvens av aminosyror för varje specifik bindningsplats. I Desulfotalea psychrophila (DpIDH) och porcine (PcIDH) finns det tre substrat som är bundna till den aktiva platsen.
- Isocitrat binder inom den aktiva platsen till en konserverad sekvens av cirka åtta aminosyror genom vätebindningar. Dessa syror inkluderar (kan variera i rester men med liknande egenskaper) tyrosin, serin, asparagin, arginin, arginin, arginin, tyrosin och lysin. Deras positioner på ryggraden varierar men de ligger alla inom ett nära avstånd (dvs. Arg131 DpIDH och Arg133 PcIDH, Tyr138 DpIDH och Tyr140 PcIDH).
- Metalljonen (Mg2+, Mn2+) binder till tre konserverade aminosyror genom vätebindningar. Dessa aminosyror omfattar tre aspartatrester.
- NAD+ och NADP+ binder i den aktiva platsen inom fyra regioner med liknande egenskaper bland IDH-enzymer. Dessa regioner varierar men ligger runt , , , och . Återigen varierar regionerna men närheten till regionerna är bevarade.