Molecuul van de Maand
| Per categorie | Per datum | Per titel |
Atomaire structuren hebben de katalytische stappen onthuld van een enzym uit de citroenzuurcyclus
Download hoge kwaliteit TIFF-afbeelding
Suiker smaakt heerlijk. Dit zou geen verrassing moeten zijn, aangezien glucose de centrale brandstof is die wordt gebruikt door zuurstof-ademende organismen. Suiker wordt afgebroken in de centrale katabole routes van de glycolyse en de citroenzuurcyclus, en uiteindelijk gebruikt om ATP te maken. De enzymen in deze routes breken glucosemoleculen systematisch af in hun samenstellende delen, waarbij ze bij elke stap de energie van het uiteenvallen opvangen. Isocitraatdehydrogenase voert de derde reactie in de citroenzuurcyclus uit, waarbij een van de koolstofatomen vrijkomt als koolstofdioxide. In het proces worden ook twee hydrogenen verwijderd. Een daarvan, in de vorm van een hydride, wordt overgedragen aan de drager NAD (of NADP), en zal later worden gebruikt om de rotatie van ATP synthase aan te drijven.
Verschillende benaderingen van dezelfde taak
In onze cellen wordt deze ingewikkelde reactie uitgevoerd door een complex enzym, bestaande uit acht ketens (het gistenzym is bovenaan afgebeeld van PDB item 3blw ). Vier katalytische ketens (hier turkoois gekleurd) voeren de reactie uit, en vier regulerende ketens (hier donkerblauw gekleurd) zetten het enzym aan en uit op basis van de ATP- en ADP-niveaus in onze cellen. Bacteriën hanteren een eenvoudiger aanpak. Zij bouwen een kleiner enzym dat bestaat uit twee identieke ketens, die twee identieke actieve sites vormen (PDB-code 9icd, onderaan afgebeeld). Onze cellen bouwen ook een kleine versie van isocitraatdehydrogenase, dat deze zelfde reactie in het celcytoplasma uitvoert, waarbij isocitraat en alfa-ketoglutaraat met elkaar worden verbonden wanneer ze nodig zijn voor synthetische taken.
Controle door fosforylering
Download hoge kwaliteit TIFF-afbeelding
Het bacteriële isocitraatdehydrogenase wordt niet gecontroleerd door het ATP- en ADP-niveau zoals ons mitochondriale enzym, maar bacteriën moeten hun enzym wel kunnen uitschakelen als er voldoende ATP is. Bacteriën regelen hun isocitraatdehydrogenases door een fosfaat aan de eiwitketen toe te voegen, waardoor de reactie wordt geblokkeerd. Het enzym isocitraatdehydrogenase kinase/fosfatase (PDB-code 3lcb, hier in oranje) voert beide reacties uit: een fosfaat toevoegen om het enzym uit te schakelen en fosfaat verwijderen om het enzym te activeren. Het besluit welke reactie geschikt is op basis van het niveau van AMP in de cel: wanneer de niveaus hoog zijn, bindt AMP aan een regulerende site, waardoor de fosfaat-verwijderende machine wordt geactiveerd, anders is het actief als een fosfaat-toevoegend kinase.
Exploring the Structure
- Image
- JSmol 1
Kristallografen hebben vele stappen onderzocht in de reactie die door isocitraatdehydrogenase wordt uitgevoerd. De eerste structuren bestudeerden het complex van het enzym met elk van zijn afzonderlijke substraten en producten: isocitraat en magnesium (8icd ), NADP (9icd ), en alfa-ketoglutaraat (1ika ), evenals het apo-enzym (3icd ), en het inactieve gefosforyleerde enzym (4icd ).Om de details van de reactie zelf te onderzoeken, werden echter speciale experimentele technieken gebruikt. Door zorgvuldig de toevoeging van substraten aan gemuteerde vormen van het enzym te synchroniseren, en dan Laue diffractie te gebruiken om kristallografische gegevens in milliseconden te verzamelen, waren de onderzoekers in staat de onstabiele tussenproducten in de reactie te observeren. Zo vertraagt de Y160F-mutant de eerste stap van de reactie (1ide ), zodat de structuur het gebonden complex van isocitraat, NADP en magnesium laat zien, gevangen voordat zij de kans hebben om te reageren. De K230M mutant vertraagt de tweede stap, waardoor de structuur van het tussenproduct oxalosuccinaat zichtbaar wordt voordat het koolstofdioxide verliest (1idc ).Klik op het plaatje om een interactieve Jmol van deze structuren te zien.
Topics for Further Discussion
- Structuren zijn beschikbaar voor de meeste enzymen in de citroenzuurcyclus. Kun je ze vinden in de PDB?
- Isocitraatdehydrogenase kan onderscheid maken tussen de twee stereoisomeren van isocitraat. Het doet dit door isocitraat te omgeven en specifieke interacties aan te gaan met elk van zijn functionele groepen. Kun je de aminozuren in het eiwit vinden die belangrijk zijn voor deze interacties? Welke rol speelt het metaalion? Zorg ervoor dat je de biologische eenheid gebruikt wanneer je naar deze interactie kijkt, aangezien de actieve plaats wordt gevormd tussen de twee subeenheden.
Gerelateerde PDB-101 bronnen
- Meer over Isocitraat Dehydrogenase
- Browse Biological Energy
- Browse Enzymes
- J. Zheng and Z. Jia (2010) Structure of the bifunctional isocitrate dehydrogenase kinase/phosphatase. Nature 465, 961-965.
- A. B. Taylor, G. Hu, P. J. Hart and 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. and B. L. Stoddard (1995) Mutagenesis and Laue structure of enzyme intermediates: isocitrate dehydrogenase. Science 268, 1312-1318.
- J. H. Hurley, A. M. Dean, D. E. Koshland Jr. and 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.
September 2010, David Goodsell
doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2010_9