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Las estructuras atómicas han revelado los pasos catalíticos de una enzima del ciclo del ácido cítrico
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El azúcar sabe muy bien. Esto no debería sorprender, ya que la glucosa es el combustible central utilizado por los organismos que respiran oxígeno. El azúcar se descompone en las vías catabólicas centrales de la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico, y finalmente se utiliza para construir ATP. Las enzimas de estas vías descomponen sistemáticamente las moléculas de glucosa en sus componentes, capturando la energía del desensamblaje en cada paso. La isocitrato deshidrogenasa realiza la tercera reacción del ciclo del ácido cítrico, que libera uno de los átomos de carbono como dióxido de carbono. En el proceso, también se eliminan dos hidrógenos. Uno de ellos, en forma de hidruro, se transfiere al portador NAD (o NADP), y se utilizará posteriormente para alimentar la rotación de la ATP sintasa.
Diferentes enfoques para la misma tarea
En nuestras células, esta complicada reacción la lleva a cabo una enzima compleja, compuesta por ocho cadenas (la enzima de la levadura se muestra en la parte superior de la entrada 3blw del PDB ).Cuatro cadenas catalíticas (coloreadas en turquesa aquí) llevan a cabo la reacción, y cuatro cadenas reguladoras (coloreadas en azul oscuro aquí) activan y desactivan la enzima en función de los niveles de ATP y ADP en nuestras células. Las bacterias adoptan un enfoque más sencillo. Construyen una enzima más pequeña compuesta por dos cadenas idénticas, que forman dos sitios activos idénticos (entrada PDB 9icd, mostrada en la parte inferior). Nuestras células también construyen una versión pequeña de la isocitrato deshidrogenasa, que realiza esta misma reacción en el citoplasma de la célula, intercalando isocitrato y alfa-cetoglutarato cuando se necesitan para tareas sintéticas.
Control por fosforilación
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La isocitrato deshidrogenasa bacteriana no está controlada por los niveles de ATP y ADP de la forma en que lo está nuestra enzima mitocondrial, pero las bacterias siguen necesitando poder desactivar su enzima cuando hay suficiente ATP. Las bacterias regulan sus isocitrato deshidrogenasas añadiendo un fosfato a la cadena de proteínas, que bloquea la reacción. La enzima isocitrato deshidrogenasa quinasa/fosfatasa (entrada PDB 3lcb , mostrada aquí en naranja) realiza ambas reacciones: añadir un fosfato para desactivar la enzima y eliminarlo para activarla. Decide qué reacción es la adecuada en función del nivel de AMP en la célula: cuando los niveles son elevados, el AMP se une a un sitio regulador, activando la maquinaria de eliminación de fosfatos, de lo contrario es activa como quinasa de adición de fosfatos.
Explorando la estructura
- Imagen
- JSmol 1
Los cristalógrafos han examinado muchos pasos de la reacción realizada por la isocitrato deshidrogenasa. Las primeras estructuras estudiaron el complejo de la enzima con cada uno de sus sustratos y productos por separado: isocitrato y magnesio (8icd ), NADP (9icd ) y alfa-cetoglutarato (1ika ), así como la enzima apo (3icd ) y la enzima inactiva fosforilada (4icd ). Sincronizando cuidadosamente la adición de sustratos a las formas mutantes de la enzima y utilizando después la difracción de Laue para obtener datos cristalográficos en milisegundos, los investigadores pudieron observar los intermedios inestables de la reacción. Por ejemplo, el mutante Y160F ralentiza el primer paso de la reacción (1ide ), por lo que la estructura muestra el complejo unido de isocitrato, NADP y magnesio, atrapado antes de que tenga la oportunidad de reaccionar. El mutante K230M ralentiza el segundo paso, revelando la estructura del oxalosuccinato intermedio antes de que pierda el dióxido de carbono (1idc ).Haga clic en la imagen para ver un Jmol interactivo de estas estructuras.
Temas para profundizar
- Se dispone de estructuras para la mayoría de las enzimas del ciclo del ácido cítrico. ¿Puedes encontrarlas en el PDB?
- La isocitrato deshidrogenasa puede distinguir entre los dos estereoisómeros del isocitrato. Lo hace rodeando al isocitrato y formando interacciones específicas con cada uno de sus grupos funcionales. ¿Puedes encontrar los aminoácidos de la proteína que son importantes para estas interacciones? ¿Qué papel desempeña el ion metálico? Asegúrate de utilizar la unidad biológica cuando veas esta interacción, ya que el sitio activo se forma entre las dos subunidades.
Recursos relacionados con el PDB-101
- Más información sobre la Isocitrato Deshidrogenasa
- Buscar energía biológica
- Buscar enzimas
- J. Zheng y Z. Jia (2010) Estructura de la isocitrato deshidrogenasa quinasa/fosfatasa bifuncional. Nature 465, 961-965.
- A. B. Taylor, G. Hu, P. J. Hart y L. McAlister-Henn (2008) Allosteric motions in structures of yeast NAD+-specific isocitrate dehydrogenase. Journal of Biological Chemistry 283, 10872-10880.
- J. M. Bolduc, D. H. Dyer, W. G. Scott, P. Singer, R. M. Sweet, D. E. Koshland Jr. y B. L. Stoddard (1995) Mutagénesis y estructura Laue de intermediarios enzimáticos: isocitrato deshidrogenasa. Science 268, 1312-1318.
- J. H. Hurley, A. M. Dean, D. E. Koshland Jr. y R. M. Stroud (1991) Catalytic mechanism of NADP+-dependent isocitrate dehydrogenase: implications from the structures of magnesium-isocitrate and NADP+ complexes. Biochemistry 30, 8671-8678.
Septiembre de 2010, David Goodsell
doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2010_9