Atomstrukturen haben die katalytischen Schritte eines Enzyms des Zitronensäurezyklus

Isocitratdehydrogenase aus Hefe (oben) und Bakterien (unten) enthüllt.

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Zucker schmeckt gut. Kein Wunder, denn Glukose ist der zentrale Brennstoff für sauerstoffatmende Organismen. Zucker wird in den zentralen katabolen Stoffwechselwegen der Glykolyse und des Zitronensäurezyklus abgebaut und schließlich zur Bildung von ATP verwendet. Die Enzyme in diesen Stoffwechselwegen zerlegen Glukosemoleküle systematisch in ihre Bestandteile, wobei sie bei jedem Schritt die Energie der Zerlegung auffangen. Die Isocitrat-Dehydrogenase führt die dritte Reaktion im Zitronensäurezyklus durch, bei der eines der Kohlenstoffatome als Kohlendioxid freigesetzt wird. Bei diesem Prozess werden auch zwei Wasserstoffatome entfernt. Einer davon wird in Form eines Hydrids auf den Träger NAD (oder NADP) übertragen und dient später als Antrieb für die Rotation der ATP-Synthase.

Unterschiedliche Ansätze für die gleiche Aufgabe

In unseren Zellen wird diese komplizierte Reaktion von einem komplexen Enzym durchgeführt, das aus acht Ketten besteht (das Hefeenzym ist oben im PDB-Eintrag 3blw abgebildet). Vier katalytische Ketten (hier türkis gefärbt) führen die Reaktion durch, und vier regulatorische Ketten (hier dunkelblau gefärbt) schalten das Enzym je nach dem ATP- und ADP-Gehalt in unseren Zellen an und aus. Bakterien wählen einen einfacheren Ansatz. Sie bauen ein kleineres Enzym, das aus zwei identischen Ketten besteht, die zwei identische aktive Stellen bilden (PDB-Eintrag 9icd, unten dargestellt). Unsere Zellen bauen auch eine kleine Version der Isocitrat-Dehydrogenase, die dieselbe Reaktion im Zytoplasma der Zelle durchführt und Isocitrat und Alpha-Ketoglutarat miteinander verbindet, wenn sie für synthetische Aufgaben benötigt werden.

Kontrolle durch Phosphorylierung

Isocitrat-Dehydrogenase-Kinase/Phosphatase (orange) gebunden an Isocitrat-Dehydrogenase.

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Die bakterielle Isocitrat-Dehydrogenase wird nicht durch den ATP- und ADP-Gehalt gesteuert, wie es bei unserem mitochondrialen Enzym der Fall ist, aber Bakterien müssen dennoch in der Lage sein, ihr Enzym abzuschalten, wenn genügend ATP vorhanden ist. Bakterien regulieren ihre Isocitrat-Dehydrogenasen, indem sie ein Phosphat an die Proteinkette anhängen, das die Reaktion blockiert. Das Enzym Isocitrat-Dehydrogenase-Kinase/Phosphatase (PDB-Eintrag 3lcb , hier in orange dargestellt) führt beide Reaktionen durch: Hinzufügen eines Phosphats, um das Enzym abzuschalten, und Entfernen des Phosphats, um das Enzym zu aktivieren. Die Entscheidung, welche Reaktion angemessen ist, hängt vom AMP-Gehalt in der Zelle ab: Wenn der AMP-Gehalt hoch ist, bindet es an eine regulatorische Stelle und aktiviert die phosphatabbauende Maschinerie, andernfalls ist es als phosphatzuführende Kinase aktiv.

Erforschung der Struktur

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Kristallographen haben viele Schritte der von der Isocitratdehydrogenase durchgeführten Reaktion untersucht. Die ersten Strukturen untersuchten den Komplex des Enzyms mit jedem seiner einzelnen Substrate und Produkte: Isocitrat und Magnesium (8icd ), NADP (9icd ) und alpha-Ketoglutarat (1ika ) sowie das apo-Enzym (3icd ) und das inaktive phosphorylierte Enzym (4icd ).Um die Details der Reaktion selbst zu untersuchen, wurden jedoch spezielle experimentelle Techniken verwendet. Durch die sorgfältige Synchronisierung der Zugabe von Substraten zu den mutierten Formen des Enzyms und die anschließende Verwendung der Laue-Beugung, um kristallografische Daten in Millisekunden zu sammeln, konnten die Forscher die instabilen Zwischenstufen der Reaktion beobachten. So verlangsamt die Y160F-Mutante den ersten Schritt der Reaktion (1id ), so dass die Struktur den gebundenen Komplex aus Isocitrat, NADP und Magnesium zeigt, bevor sie reagieren können. Die K230M-Mutante verlangsamt den zweiten Schritt und zeigt die Struktur des Oxalosuccinat-Zwischenprodukts, bevor es das Kohlendioxid verliert (1idc ). Klicken Sie auf das Bild, um eine interaktive Jmol-Ansicht dieser Strukturen zu sehen.