Des structures atomiques ont révélé les étapes catalytiques d’une enzyme du cycle de l’acide citrique

Isocitrate déshydrogénase provenant de levures (en haut) et de bactéries (en bas).

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Le sucre a bon goût. Cela ne devrait pas être une surprise, cependant, puisque le glucose est le carburant central utilisé par les organismes respirant de l’oxygène. Le sucre est décomposé dans les voies cataboliques centrales de la glycolyse et du cycle de l’acide citrique, et finalement utilisé pour construire l’ATP. Les enzymes de ces voies décomposent systématiquement les molécules de glucose en leurs composants, en captant l’énergie du désassemblage à chaque étape. L’isocitrate déshydrogénase réalise la troisième réaction du cycle de l’acide citrique, qui libère un des atomes de carbone sous forme de dioxyde de carbone. Au cours de ce processus, deux hydrogènes sont également éliminés. L’un d’eux, sous forme d’hydrure, est transféré au transporteur NAD (ou NADP), et sera utilisé plus tard pour alimenter la rotation de l’ATP synthase.

Différentes approches pour la même tâche

Dans nos cellules, cette réaction compliquée est réalisée par une enzyme complexe, composée de huit chaînes (l’enzyme de levure est représentée en haut à partir de l’entrée PDB 3blw ).Quatre chaînes catalytiques (colorées en turquoise ici) réalisent la réaction, et quatre chaînes régulatrices (colorées en bleu foncé ici) activent et désactivent l’enzyme en fonction des niveaux d’ATP et d’ADP dans nos cellules. Les bactéries adoptent une approche plus simple. Elles construisent une enzyme plus petite composée de deux chaînes identiques, formant deux sites actifs identiques (entrée PDB 9icd ,représentée en bas). Nos cellules construisent également une petite version de l’isocitrate déshydrogénase, qui effectue cette même réaction dans le cytoplasme cellulaire, intercalant l’isocitrate et l’alpha-cétoglutarate lorsqu’ils sont nécessaires pour des tâches de synthèse.

Contrôle par la phosphorylation

Isocitrate déshydrogénase kinase/phosphatase (orange) liée à l’isocitrate déshydrogénase.

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L’isocitrate déshydrogénase bactérienne n’est pas contrôlée par les niveaux d’ATP et d’ADP comme l’est notre enzyme mitochondriale, mais les bactéries doivent tout de même pouvoir désactiver leur enzyme lorsqu’il y a suffisamment d’ATP. Les bactéries régulent leurs isocitrates déshydrogénases en ajoutant un phosphate à la chaîne protéique, ce qui bloque la réaction. L’enzyme isocitrate déshydrogénase kinase/phosphatase (entrée PDB 3lcb, représentée ici en orange) effectue les deux réactions : ajouter un phosphate pour désactiver l’enzyme et le retirer pour l’activer. Elle décide de la réaction appropriée en fonction du niveau d’AMP dans la cellule : lorsque les niveaux sont élevés, l’AMP se lie à un site régulateur, activant la machinerie d’élimination du phosphate, sinon elle est active comme une kinase d’ajout de phosphate.

Exploration de la structure

• Image
• JSmol 1

Les cristallographes ont examiné de nombreuses étapes de la réaction réalisée par l’isocitrate déshydrogénase. Les premières structures ont étudié le complexe de l’enzyme avec chacun de ses substrats et produits séparés : isocitrate et magnésium (8icd ),NADP (9icd ),et alpha-cétoglutarate (1ika ),ainsi que l’enzyme apo (3icd ),et l’enzyme phosphorylée inactive (4icd ).Pour examiner les détails de la réaction elle-même, cependant, des techniques expérimentales spéciales ont été utilisées. En synchronisant soigneusement l’ajout de substrats aux formes mutantes de l’enzyme, puis en utilisant la diffraction de Laue pour recueillir des données cristallographiques en quelques millisecondes, les chercheurs ont pu observer les intermédiaires instables de la réaction. Par exemple, le mutant Y160F ralentit la première étape de la réaction (1ide ), de sorte que la structure montre le complexe lié d’isocitrate, de NADP et de magnésium, pris avant qu’ils n’aient la possibilité de réagir. Le mutant K230M ralentit la deuxième étape, révélant la structure de l’oxalosuccinate intermédiaire avant qu’il ne perde le dioxyde de carbone (1idc ).Cliquez sur l’image pour voir un Jmol interactif de ces structures.

Septembre 2010, David Goodsell

doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2010_9