Struktury atomowe ujawniły etapy katalityczne enzymu cyklu kwasu cytrynowego

Dehydrogenaza izocyjanianowa z drożdży (góra) i bakterii (dół).

Pobierz wysokiej jakości obraz TIFF

Cukier smakuje wyśmienicie. To nie powinno być zaskoczeniem, chociaż, ponieważ glukoza jest głównym paliwem używanym przez organizmy oddychające tlenem. Cukier jest rozkładany w centralnych szlakach katabolicznych glikolizy i cyklu kwasu cytrynowego, a ostatecznie wykorzystywany do budowy ATP. Enzymy w tych szlakach systematycznie rozkładają cząsteczki glukozy na ich części składowe, przechwytując energię rozkładu na każdym etapie. Dehydrogenaza izocytrynianowa przeprowadza trzecią reakcję w cyklu kwasu cytrynowego, która uwalnia jeden z atomów węgla w postaci dwutlenku węgla. W procesie tym usuwane są również dwa hydrogeny. Jeden z nich, w postaci wodorku, jest przenoszony na nośnik NAD (lub NADP) i będzie wykorzystany później do zasilania rotacji syntazy ATP.

Różne podejścia do tego samego zadania

W naszych komórkach, ta skomplikowana reakcja jest wykonywana przez złożony enzym, składający się z ośmiu łańcuchów (enzym drożdżowy jest pokazany na górze z pozycji PDB 3blw ).Cztery łańcuchy katalityczne (pokolorowane na turkusowo tutaj) wykonują reakcję, a cztery łańcuchy regulacyjne (pokolorowane na ciemnoniebiesko tutaj) włączają i wyłączają enzym w oparciu o poziomy ATP i ADP w naszych komórkach. Bakterie stosują prostsze podejście. Budują mniejszy enzym składający się z dwóch identycznych łańcuchów, tworzących dwa identyczne miejsca aktywne (pozycja PDB 9icd, pokazana na dole). Nasze komórki budują również małą wersję dehydrogenazy izocyjanianowej, która przeprowadza tę samą reakcję w cytoplazmie komórki, wiążąc izocyjanian i alfa-ketoglutaran, gdy są one potrzebne do zadań syntetycznych.

Kontrola przez fosforylację

Kinaza/fosfataza dehydrogenazy izocyjanianowej (pomarańczowa) związana z dehydrogenazą izocyjanianową.

Pobierz wysokiej jakości obraz TIFF

Bakteryjna dehydrogenaza izocytrynianowa nie jest kontrolowana przez poziomy ATP i ADP w sposób, w jaki jest nasz enzym mitochondrialny, ale bakterie nadal muszą być w stanie wyłączyć swój enzym, gdy jest wystarczająco dużo ATP. Bakterie regulują swoje dehydrogenazy izocytrynianowe poprzez dodanie fosforanu do łańcucha białkowego, który blokuje reakcję. Enzym kinaza/fosfataza dehydrogenazy izocytrynianowej (pozycja PDB 3lcb , przedstawiona tutaj w kolorze pomarańczowym) wykonuje obie reakcje: dodawanie fosforanu w celu wyłączenia enzymu i usuwanie go w celu aktywacji enzymu. Decyduje, która reakcja jest odpowiednia w oparciu o poziom AMP w komórce: gdy poziom jest wysoki, AMP wiąże się z miejscem regulacyjnym, aktywując maszynerię usuwającą fosforan, w przeciwnym razie jest aktywna jako kinaza dodająca fosforan.

Poznanie struktury

• Obraz
• JSmol 1

Krystalografowie zbadali wiele etapów reakcji wykonywanej przez dehydrogenazę izocytrynianową. Pierwsze struktury badały kompleks enzymu z każdym z jego oddzielnych substratów i produktów: izocyjanianem i magnezem (8icd ), NADP (9icd ), i alfa-ketoglutaranem (1ika ), jak również z apo enzymem (3icd ) i nieaktywnym fosforylowanym enzymem (4icd ).Aby jednak zbadać szczegóły samej reakcji, zastosowano specjalne techniki eksperymentalne. Poprzez staranne zsynchronizowanie dodawania substratów do zmutowanych form enzymu, a następnie wykorzystanie dyfrakcji Laue’a do zbierania danych krystalograficznych w ciągu milisekund, badacze byli w stanie zaobserwować niestabilne intermediaty w reakcji. Na przykład, mutant Y160F spowalnia pierwszy krok reakcji (1ide ), więc struktura pokazuje związany kompleks izocyjanianu, NADP i magnezu, złapany zanim mają szansę zareagować. Mutant K230M spowalnia drugi krok, ujawniając strukturę pośredniego oksalobursztynianu, zanim straci dwutlenek węgla (1idc ).Kliknij na obrazek, aby zobaczyć interaktywny Jmol tych struktur.