Isocitrato deshidroxenase

A isocitrato deshidroxenase (IDH) (número EC: 1.1.1.42 e 1.1.1.41) é un encima que cataliza a descarboxilación oxidativa do isocitrato, producindo α-cetoglutarato e CO2, que é unha reacción do ciclo do ácido cítrico ou de Krebs. O proceso opera en dous pasos, nos que se produce a oxidación do isocitrato (cun grupo alcohol secundario) a oxalosuccinato (cun grupo cetona), seguida da descarboxilación do grupo carboxilo beta a cetona, formando alfa-cetoglutarato e CO2. Nos humanos, existen tres isoformas da IDH: IDH1, IDH2 e IDH3. A IDH3 cataliza o terceiro paso do ciclo do ácido cítrico á vez que converte o NAD+ en NADH e encóntrase só na mitocondria. As isoformas IDH1 e IDH2 catalizan a mesma reacción pero fóra do ciclo do ácido cítrico e utilizan o NADP+ como cofactor en lugar do NAD+, e están localizadas no citosol, mitocondrias e peroxisomas.

 Isoencimas 
Os isoencimas da isocitrato deshidroxenase humana son os seguintes:

 IDH dependentes do NADP+ 
Estes isoencimas dependentes do NADP+ funcionan como homodímeros:

 IDH dependentes do NAD+ 
O isoencima IDH3 é un heterotetrámero que está composto por dúas subunidades alfa, unha beta, e unha gamma:

 Estrutura 
miniatura|dereita|300px|Un dos centros activos na IDH porcina dependente de NADP+ (verde). O encima porcino é un homodímero e ten outro centro activo no outro lado da molécula.

A NAD-IDH está composta por 3 subuniddes, está regulada alostericamente, e require a integración dun ión Mg2+ ou Mn2+. O homólogo máis similar do que se coñece a estrutura é a IDH NADP-dependente de Escherichia coli, que ten só dúas subunidades e un 13% de identidade e un 29% de semellanza baseándose nas secuencias de aminoácidos, o que a fai bastante diferente á IDH humana. Todas as NADP-IDHs son homodímeros.

Aínda que a maioría das IDH son homodímeros (formados por dúas subunidades idénticas), nalgunhas especies son monómeros. Comparando as IDH de C. glutamicum e E. coli,Chen R, Yang H (November 2000). "A highly specific monomeric isocitrate dehydrogenase from Corynebacterium glutamicum". Arch. Biochem. Biophys. 383 (2): 238–45. doi:10.1006/abbi.2000.2082. PMID 11185559. que son monómero e dímero, respectivamente, ambos os encimas catalizan eficazmente idénticas reaccións. Porén, a de C. glutamicum ten unha actividade dez veces maior que a de E. coli e sete veces máis afinidade/especificidade polo NADP. C. glutamicum favorece o uso de NADP+ sobre o de NAD+. En termos de estabilidade en resposta á temperatura, ambos os encimas mostraron ter unha similar Tm ou temperatura de fusión entre os 55 °C e os 60 °C. Porén, o monómero de C. glutamicum mostrou unha estabilidade máis consistente a temperaturas maiores. O dímero de E. coli mostrou estabilidade a temperaturas máis altas do normal debido ás interaccións entre as súas dúas subunidades.

 Regulación 

A reacción do ciclo do ácido cítrico na que intervén a IDH, debido ao seu grande cambio de enerxía libre negativo, é unha das reaccións irreversibles do ciclo do ácido cítrico, e, por tanto, debe estar coidadosamente regulada para evitar un gasto innecesario de isocitrato (coa conseguinte acumulación de alfa-cetoglutarato). O ADP é estimulador da reacción. A IDH de E. coli está regulada por fosforilación e desfosforilación do encima realizado por un encima bifuncional quinase/fosfatase.La Porte, D.C. The isocitrate dehydrogenase phosphorylation cycle: regulation and enzymology. J Cell Biochem. 1993 Jan;51(1):14-8. PMID 8381789. 

 Mecanismos catalíticos 
A isocitrato deshidroxenase cataliza as seguintes reaccións:
Isocitrato + NAD+  2-cetoglutarato + CO2 + NADH + H+
Isocitrato + NADP+  2-cetoglutarato + CO2 + NADPH + H+
Isocitrato + NADP+ Mg2+(ión metálico)  alfa-cetoglutarato + NADPH + H+ + CO2

miniatura|dereita|300px|Mecanismos catalíticos da degradación do isocitrato a oxalosuccinato, e despois ao produto final alfa-cetuglutarato. O intermediato oxalosuccinato é hipotético; nunca foi observado na versión descarboxilante deste encima.

 Pasos 

No ciclo do ácido cítrico, o isocitrato, producido a partir da isomerización do citrato, sofre unha oxidación e unha descarboxilación. No centro activo da IDH, o isocitrato está rodeado de residuos dos aminoácidos arxinina, tirosina, asparaxina, serina, treonina, e ácido aspártico. A imaxe mostra a reacción global catalizada pola IDH. Os reactivos necesarios para que funcione o mecanismo deste encima son isocitrato, NAD+/NADP+, e Mn2+ ou Mg2+. Os produtos da reacción son alfa-cetoglutarato, dióxido de carbono, e NADH + H+/NADPH + H+. Utilízanse moléculas de auga para axudar a desprotonar o oxíxeno (O3) do isocitrato.

O Paso 1 é a oxidación do carbono alfa (C#2). O primeiro que ocorre é a oxidación do isocitrato. Nese proceso, o grupo alcohol do carbono alfa (C#2) é desprotonado e os electróns flúen ao carbono alfa formando un grupo cetona e retirando un hidruro do C#2 utilizando o NAD+/NADP+ como cofactor que acepta electróns. A oxidación do carbono alfa convérteo nun lugar a onde, no seguinte paso, chegarán electróns desde o grupo carboxilo e empuxarán os electróns de volta cara ao oxíxeno (creando o dobre enlace no oxíxeno) ou captarán un protón procedente dunha lisina próxima.

O paso 2 é a descarboxilación do oxalosuccinato. Neste paso, o oxíxeno do grupo carboxilo é desprotonado por unha tirosina próxima e os electróns flúen ao carbono 2. Despréndese unha molécula de dióxido de carbono do carbono beta do isocitrato e os electróns flúen ao oxíxeno da cetona desde o carbono alfa, creando unha carga negativa no oxíxeno do carbono alfa e formando un dobre enlace alfa-beta entre os carbonos 2 e 3. O par solitario de electróns no oxíxeno do carbono alfa capta un protón dunha lisina adxacente.

O paso 3 é a saturación do dobre enlace alfa-beta entre os carbonos 2 e 3. Neste paso da reacción, a lisina desprotona o oxíxeno do carbono alfa e o par solitario de electróns no oxíxeno do carbono alfa volve a formar o dobre enlace cetona e expulsa o par solitario (que formaba o dobre enlace entre os carbonos alfa e beta), captando un protón dunha tirosina próxima. Esta reacción ten como resultado a formación do alfa-cetoglutarato, NADH + H+/NADPH + H+, e CO2.

 Centro activo 
miniatura|300px|Complexo da IDH porcina. Unha Arg estabiliza o isocitrato no centro activo. Os residuos Arg110, Arg133, e Arg101 son os tres aminoácidos estabilizadores principais. Axudan a soster o isocitrato no centro activo e na correcta orientación.

A estrutura da IDH en Escherichia coli foi a primeira deste encima que se construíu e comprendeu. Desde entón, a maioría dos investigadores utilizaron o encima de Escherichia coli para facer comparacións con outras IDH, que se viu que a maioría eran similares en estrutura e función. Esta semellanza na estrutura e función indica que son estruturas conservadas e tamén o son as secuencias de aminoácidos. Os centros activos na maioría das IDH procarióticas están conservados tamén. As IDH eucarióticas non se coñecen tan ben.
Cada un dos dímeros da IDH ten dous centros activos. En cada centro activo únese unha molécula de NAD+/NADP+ e un ión metálico (Mg2+,Mn2+). En xeral, cada centro activo ten unha secuencia conservada de aminoácidos para cada sitio de unión específico. En Desulfotalea psychrophila (DpIDH) e porcinos (PcIDH) hai tres substratos unidos no centro activo.

As características principais de unión ao centro activo son:
 O isocitrato únese no centro activo nunha secuencia conservada de aproximadamente oito aminoácidos por medio de enlaces de hidróxeno. Estes ácidos inclúen (poden variar en residuos pero con similares propiedades) tirosina, serina, asparaxina, tres arxininas, tirosina, e lisina. As súas posicións na cadea polipeptídica varían pero están todos próximos (Arg131 DpIDH e Arg133 PcIDH, Tyr138 DpIDH e Tyr140 PcIDH).
 O ión metálico (Mg2+, Mn2+) únese a tres aminoácidos conservados por medio de enlaces de hidróxeno. Estes aminoácidos inclúen tres residuos aspartato.
 O NAD+ e NADP+ únense ao centro activo en catro rexións con propiedades similares en distintos encimas IDH. Estas rexións varían pero están arredor das posicións [250–260], [280–290], [300–330], e [365–380]. A proximidade das rexións está conservada.

 Importancia clínica 

miniatura|Expresión da IDH1 mutada nun caso de glioblastoma. Utilizáronse técnicas inmunoquímicas cun anticorpo monoclonal de rato dirixido contra a IDH1 coa mutación R132H.
Atopáronse mutacións específicas no xene IDH1 da isocitrato deshidroxenase en varios tumores cerebrais como astrocitomas, oligodendrogliomas e glioblastoma multiforme, e atopáronse mutacións en case todos os casos de glioblastomas secundarios, os cales se desenvolven a partir de gliomas de grao inferior, pero raramente en glioblastoma multiforme primario de grao alto. Os pacientes cuxos tumores tiñan unha mutación IDH1 presentaban unha supervivencia máis prolongada. Non se sabe como as mutacións IDH1 contribúen ao desenvolvemento do glioblastoma multiforme. Ademais, atopáronse mutacións de IDH2 e IDH1 en ata o 20% dos casos de leucemia mieloide aguda (AML) citoxeneticamente normal. Estas mutacións sábese que producen (D)-2-hidroxiglutarato a partir de alfa-cetoglutarato. Mutacións de mosaico somático deste xene están asociadas á enfermidade de Ollier e á síndrome de Maffucci.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Outros artigos 
 Oxidorredutase

 Ligazóns externas 
 Isocitrate dehydrogenase: RCSB PDB Molécula do mes

Categoría:Oxidorredutases
Categoría:Ciclo do ácido cítrico