La isocitrato deshidrogenasa ( IDH ) ( EC 1.1.1.42) y ( EC 1.1.1.41) es una enzima que cataliza la descarboxilación oxidativa del isocitrato , produciendo alfa-cetoglutarato (α-cetoglutarato) y CO2 . Este es un proceso de dos pasos, que implica la oxidación del isocitrato (un alcohol secundario ) a oxalosuccinato ( una cetona ), seguida de la descarboxilación del grupo carboxilo beta a la cetona, formando alfa-cetoglutarato. En los humanos, la IDH existe en tres isoformas: la IDH3 cataliza el tercer paso del ciclo del ácido cítrico mientras convierte NAD + en NADH en las mitocondrias . Las isoformas IDH1 e IDH2 catalizan la misma reacción fuera del contexto del ciclo del ácido cítrico y utilizan NADP + como cofactor en lugar de NAD + . Se localizan tanto en el citosol como en la mitocondria y el peroxisoma . [2]
El NAD-IDH está compuesto de 3 subunidades, está regulado alostéricamente y requiere un ion Mg2 + o Mn2 + integrado. El homólogo más cercano que tiene una estructura conocida es el IDH dependiente de NADP de E. coli , que tiene solo 2 subunidades y una identidad del 13% y una similitud del 29% según las secuencias de aminoácidos, lo que lo hace diferente del IDH humano y no apto para una comparación cercana. Todos los NADP-IDH conocidos son homodímeros.
La mayoría de las isocitrato deshidrogenasas son dímeros, para ser específicos, homodímeros (dos subunidades monoméricas idénticas que forman una unidad dimérica). Al comparar C. glutamicum y E. coli , [4] monómero y dímero, respectivamente, se encontró que ambas enzimas "catalizan eficientemente reacciones idénticas". Sin embargo, se registró que C. glutamicum tenía diez veces más actividad que E. coli y siete veces más afinitiva/específica para NADP. C. glutamicum favoreció NADP + sobre NAD + . En términos de estabilidad con respuesta a la temperatura, ambas enzimas tuvieron una Tm o temperatura de fusión similar a aproximadamente 55 °C a 60 °C. Sin embargo, el monómero C. glutamicum mostró una estabilidad más consistente a temperaturas más altas, lo que era esperado. El dímero E. coli mostró estabilidad a una temperatura más alta de lo normal debido a las interacciones entre las dos subunidades monoméricas.
La estructura de la ICDH-1 de Mycobacterium tuberculosis (Mtb) unida a NADPH y Mn(2+) se ha resuelto mediante cristalografía de rayos X. Es un homodímero en el que cada subunidad tiene un pliegue de Rossmann y un dominio superior común de láminas β entrelazadas. La ICDH-1 de Mtb es estructuralmente más similar a la ICDH humana mutante R132H que se encuentra en los astrocitomas de grado 4 de la OMS del SNC , anteriormente clasificados [5] como glioblastomas . De manera similar a la ICDH humana R132H, la ICDH-1 de Mtb también cataliza la formación de α-hidroxiglutarato. [6]
El paso IDH del ciclo del ácido cítrico es a menudo (pero no siempre) una reacción irreversible debido a su gran cambio negativo en la energía libre. Por lo tanto, debe regularse cuidadosamente para evitar el agotamiento de isocitrato (y, por lo tanto, una acumulación de alfa-cetoglutarato). La reacción es estimulada por los mecanismos simples de disponibilidad de sustrato (isocitrato, NAD + o NADP + , Mg 2+ / Mn 2+ ), inhibición del producto por NADH (o NADPH fuera del ciclo del ácido cítrico) y alfa-cetoglutarato, e inhibición de retroalimentación competitiva por ATP . [7] Se ha informado de un ncRNA conservado aguas arriba del gen icd que codifica para la isocitrato deshidrogenasa (IDH) dependiente de NADP + en genomas bacterianos, debido a sus características, este ncRNA se asemeja a motivos reguladores anteriores llamados riboswitches , el motivo icd-II ncRNA se ha propuesto como un fuerte candidato a riboswitch. [8]
La isocitrato deshidrogenasa cataliza las reacciones químicas :
La energía libre total para esta reacción es -8,4 kJ/mol. [12]
En el ciclo del ácido cítrico , el isocitrato , producido a partir de la isomerización del citrato, sufre tanto oxidación como descarboxilación . La enzima isocitrato deshidrogenasa (IDH) retiene el isocitrato dentro de su sitio activo utilizando los aminoácidos circundantes , entre ellos arginina , tirosina , asparagina , serina , treonina y ácido aspártico .
En la figura proporcionada, el primer recuadro muestra la reacción general de la isocitrato deshidrogenasa. Los reactivos necesarios para este mecanismo enzimático son isocitrato, NAD + / NADP + y Mn2 + o Mg2 + . Los productos de la reacción son alfa-cetoglutarato , dióxido de carbono y NADH +H + / NADPH +H + . [10] Las moléculas de agua ayudan a desprotonar los átomos de oxígeno del isocitrato.
El segundo recuadro de la figura ilustra el paso 1 de la reacción, que es la oxidación del carbono alfa (C2 aquí, también llamado alfa-C). [9] [10] En este proceso, [9] el grupo alcohol del carbono alfa se desprotona y el par solitario de electrones resultante forma un grupo cetona en ese carbono. NAD + /NADP + actúa como un cofactor aceptor de electrones y recoge el hidruro resultante de C2. La oxidación del carbono alfa introduce una disposición molecular donde los electrones (en el siguiente paso) fluirán desde el grupo carboxilo cercano y empujarán los electrones del oxígeno con doble enlace hacia el propio átomo de oxígeno, que recoge un protón de una lisina cercana .
El tercer recuadro ilustra el paso 2, que es la descarboxilación del oxalosuccinato . En este paso, [9] [10] el oxígeno del grupo carboxilo es desprotonado por una tirosina cercana , y esos electrones fluyen hacia abajo hasta C2. El dióxido de carbono, el grupo saliente, se desprende del carbono beta del isocitrato (C3) y los electrones fluyen hacia el oxígeno de la cetona unido al carbono alfa, otorgando una carga negativa al átomo de oxígeno asociado y formando un doble enlace alfa-beta insaturado entre los carbonos 2 y 3.
El cuarto y último cuadro ilustra el paso 3, que es la saturación del doble enlace alfa-beta insaturado que se formó en el paso anterior. El oxígeno cargado negativamente (unido al carbono alfa) dona sus electrones, reformando el doble enlace cetónico y empujando a otro par solitario (el que forma el doble enlace entre los carbonos alfa y beta) "fuera" de la molécula. Este par solitario, a su vez, recoge un protón de la tirosina cercana. [14] Esta reacción da como resultado la formación de alfa-cetoglutarato, NADH + H + /NADPH + H + y CO 2 .
Dos residuos de aminoácidos aspartato (abajo a la izquierda) interactúan con dos moléculas de agua adyacentes (w6 y w8) en el complejo IDH porcino de isocitrato de Mn 2+ para desprotonar el alcohol del átomo de carbono alfa. La oxidación del alfa-C también tiene lugar en esta imagen, donde el NAD + acepta un hidruro que da como resultado oxalosuccinato. Junto con el cambio estereoquímico de sp 3 a sp 2 alrededor del alfa-C, hay un grupo cetona que se forma a partir del grupo alcohol. La formación de este doble enlace cetónico permite que se produzca resonancia a medida que los electrones que descienden del grupo carboxilato saliente se mueven hacia la cetona.
La descarboxilación del oxalosuccinato (abajo en el centro) es un paso clave en la formación de alfa-cetoglutarato. En esta reacción, el par solitario en el hidroxilo de tirosina adyacente extrae el protón del grupo carboxilo. [14] Este grupo carboxilo también se conoce como la subunidad beta en la molécula de isocitrato. La desprotonación del grupo carboxilo hace que el par solitario de electrones se mueva hacia abajo formando dióxido de carbono y separándose del oxalosuccinato. Los electrones continúan moviéndose hacia el carbono alfa empujando los electrones del doble enlace (formando la cetona) hacia arriba para extraer un protón de un residuo de lisina adyacente. Se produce un doble enlace alfa-beta insaturado entre el carbono 2 y el tres. Como puede ver en la imagen, el ion verde representa Mg 2+ o Mn 2+ , que es un cofactor necesario para que ocurra esta reacción. El ion metálico forma un pequeño complejo a través de interacciones iónicas con los átomos de oxígeno en los carbonos cuarto y quinto (también conocido como la subunidad gamma del isocitrato).
Después de que el dióxido de carbono se separa del oxalosuccinato en el paso de descarboxilación (abajo a la derecha), el enol se tautomerizará a la forma ceto. La formación del doble enlace de cetona se inicia con la desprotonación de ese oxígeno del carbono alfa (C#2) por la misma lisina que protonó el oxígeno en primer lugar. [14] El par solitario de electrones se mueve hacia abajo dando inicio a los pares solitarios que estaban formando el doble enlace. Este par solitario de electrones abstrae un protón de la tirosina que desprotonó el grupo carboxilo en el paso de descarboxilación. La razón por la que podemos decir que los residuos de Lys y Tyr serán los mismos del paso anterior es porque están ayudando a mantener la molécula de isocitrato en el sitio activo de la enzima. Estos dos residuos podrán formar enlaces de hidrógeno de ida y vuelta siempre que estén lo suficientemente cerca del sustrato . [4]
Como se indicó anteriormente, la enzima isocitrato deshidrogenasa produce alfa-cetoglutarato, dióxido de carbono y NADH + H + /NADPH + H + . Hay tres cambios que ocurrieron a lo largo de la reacción: la oxidación del carbono 2, la descarboxilación (pérdida de dióxido de carbono) del carbono 3 y la formación de un grupo cetona con un cambio estereoquímico de sp 3 a sp 2 . [14]
La estructura de la enzima isocitrato deshidrogenasa (IDH) en Escherichia coli fue la primera estructura ortóloga de IDH que se dilucidó y se entendió. [14] Desde entonces, la estructura de IDH de Escherichia coli ha sido utilizada por la mayoría de los investigadores para hacer comparaciones con otras enzimas isocitrato deshidrogenasas. Hay mucho conocimiento detallado sobre esta enzima bacteriana, y se ha descubierto que la mayoría de las isocitrato deshidrogenasas son similares en estructura y, por lo tanto, también en función. Esta similitud de estructura y función da una razón para creer que las estructuras se conservan, así como los aminoácidos. [11] Por lo tanto, los sitios activos entre la mayoría de las enzimas isocitrato deshidrogenasas procariotas también deberían conservarse, lo que se observa en muchos estudios realizados sobre enzimas procariotas. Las enzimas isocitrato deshidrogenasas eucariotas, por otro lado, aún no se han descubierto por completo. Cada dímero de IDH tiene dos sitios activos. [14] Cada sitio activo une una molécula de NAD + /NADP + y un ion metálico divalente (Mg2 + ,Mn2 + ). En general, cada sitio activo tiene una secuencia conservada de aminoácidos para cada sitio de unión específico. En Desulfotalea psychrophila ( Dp IDH) [14] y porcino ( Pc IDH) [3] hay tres sustratos unidos al sitio activo.
Se han encontrado mutaciones específicas en el gen de la isocitrato deshidrogenasa IDH1 en varios tipos de tumores, [16] en particular tumores cerebrales, incluidos astrocitomas y oligodendrogliomas . [5] Los pacientes cuyo tumor tenía una mutación IDH1 tuvieron una supervivencia más prolongada en comparación con los pacientes cuyo tumor tenía un tipo salvaje IDH1 . [17] [18] Además, se encontraron mutaciones de IDH2 e IDH1 en hasta el 20% de la leucemia mieloide aguda (LMA) citogenéticamente normal. [19] [20] Se sabe que estas mutaciones producen D-2-hidroxiglutarato a partir de alfa-cetoglutarato. [21] El D-2-hidroxiglutarato se acumula en concentraciones muy altas que inhiben la función de las enzimas que dependen del alfa-cetoglutarato. [22] Esto conduce a un estado hipermetilado del ADN y las histonas, lo que da como resultado una expresión genética diferente que puede activar oncogenes e inactivar genes supresores de tumores. En última instancia, esto puede conducir a los tipos de cáncer descritos anteriormente. [23] También se han encontrado mutaciones somáticas en mosaico de este gen asociadas a la enfermedad de Ollier y al síndrome de Maffucci . [24] Sin embargo, estudios recientes también han demostrado que el D-2-hidroxiglutarato puede convertirse nuevamente en alfa-cetoglutarato de forma enzimática o no enzimática. [25] [26] Se requieren más estudios para comprender completamente los roles de la mutación IDH1 (y el D-2-hidroxiglutarato) en el cáncer. Investigaciones recientes destacaron mutaciones causantes de cáncer en la isocitrato deshidrogenasa que pueden causar la acumulación del metabolito D-2-hidroxiglutarato (D-2HG). Notarangelo et al. demostraron que concentraciones tan altas de D-2HG podrían actuar como un inhibidor directo de la lactato deshidrogenasa en células T de ratón. La inhibición de esta enzima metabólica alteró el metabolismo de la glucosa en las células T e inhibió su proliferación, producción de citocinas y capacidad para matar células diana. [27]
La siguiente es una lista de isoenzimas de la isocitrato deshidrogenasa humana:
Cada isoenzima dependiente de NADP + funciona como un homodímero:
La isoenzima isocitrato deshidrogenasa 3 es un heterotetrámero que se compone de dos subunidades alfa, una subunidad beta y una subunidad gamma:
