Strutture atomiche hanno rivelato i passi catalitici di un enzima del ciclo dell’acido citrico

Isocitrato deidrogenasi da lievito (in alto) e batteri (in basso).

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Lo zucchero ha un ottimo sapore. Questo non dovrebbe essere una sorpresa, però, dato che il glucosio è il combustibile centrale utilizzato dagli organismi che respirano ossigeno. Lo zucchero viene scomposto nelle vie cataboliche centrali della glicolisi e del ciclo dell’acido citrico, e infine utilizzato per costruire ATP. Gli enzimi in queste vie scompongono sistematicamente le molecole di glucosio nelle loro parti componenti, catturando l’energia di disassemblaggio ad ogni passo. L’isocitrato deidrogenasi esegue la terza reazione nel ciclo dell’acido citrico, che libera uno degli atomi di carbonio come anidride carbonica. Nel processo, vengono rimossi anche due idrogeni. Uno di questi, sotto forma di idruro, viene trasferito al trasportatore NAD (o NADP), e sarà usato in seguito per alimentare la rotazione dell’ATP sintasi.

Approcci diversi allo stesso compito

Nelle nostre cellule, questa complicata reazione viene eseguita da un enzima complesso, composto da otto catene (l’enzima del lievito è mostrato in alto dalla voce PDB 3blw ).Quattro catene catalitiche (qui colorate in turchese) eseguono la reazione, e quattro catene di regolazione (qui colorate in blu scuro) accendono e spengono l’enzima in base ai livelli di ATP e ADP nelle nostre cellule. I batteri hanno un approccio più semplice. Costruiscono un enzima più piccolo composto da due catene identiche, formando due siti attivi identici (voce PDB 9icd, mostrata in basso). Le nostre cellule costruiscono anche una piccola versione dell’isocitrato deidrogenasi, che esegue questa stessa reazione nel citoplasma cellulare, intercovertendo l’isocitrato e l’alfa-chetoglutarato quando sono necessari per compiti sintetici.

Controllo mediante fosforilazione

Isocitrato deidrogenasi chinasi/fosfatasi (arancio) legata all’isocitrato deidrogenasi.

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L’isocitrato deidrogenasi batterica non è controllata dai livelli di ATP e ADP come il nostro enzima mitocondriale, ma i batteri devono comunque essere in grado di spegnere il loro enzima quando c’è abbastanza ATP. I batteri regolano le loro isocitrato deidrogenasi aggiungendo un fosfato alla catena proteica, che blocca la reazione. L’enzima isocitrato deidrogenasi chinasi/fosfatasi (voce PDB 3lcb, mostrata qui in arancione) esegue entrambe le reazioni: aggiungere un fosfato per spegnere l’enzima e rimuoverlo per attivarlo. Decide quale reazione è appropriata in base al livello di AMP nella cellula: quando i livelli sono alti, l’AMP si lega a un sito regolatore, attivando il meccanismo di rimozione del fosfato, altrimenti è attivo come una chinasi che aggiunge fosfato.

Esplorazione della struttura

• Immagine
• JSmol 1

I cristallografi hanno esaminato molti passi nella reazione eseguita dall’isocitrato deidrogenasi. Le prime strutture hanno studiato il complesso dell’enzima con ciascuno dei suoi substrati e prodotti separati: isocitrato e magnesio (8icd ), NADP (9icd ), e alfa-chetoglutarato (1ika ), così come l’enzima apo (3icd ), e l’enzima fosforilato inattivo (4icd ). Sincronizzando attentamente l’aggiunta di substrati a forme mutanti dell’enzima, e poi usando la diffrazione Laue per raccogliere dati cristallografici in millisecondi, i ricercatori sono stati in grado di osservare gli intermedi instabili nella reazione. Per esempio, il mutante Y160F rallenta il primo passo della reazione (1ide), così la struttura mostra il complesso legato di isocitrato, NADP e magnesio, catturati prima che abbiano la possibilità di reagire. Il mutante K230M rallenta il secondo passo, rivelando la struttura dell’intermedio ossalosuccinato prima che perda l’anidride carbonica (1idc ).Clicca sull’immagine per vedere un Jmol interattivo di queste strutture.

September 2010, David Goodsell

doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2010_9