异柠檬酸脱氢酶

异柠檬酸脱氢酶

生物科学101 陈伟

学号：201001220231

摘要：异柠檬酸脱氢酶在三羧酸循环中将异柠檬酸转化为α-酮戊二酸。对生物

的生物体的能量代谢、生物合成以及抗氧化胁迫起重要作用.

关键词：异柠檬酸脱氢酶，三羧酸循环，限速酶

一、简介

异柠檬酸脱氢酶(isocit rate dehydrogenase , IDH) 在三羧酸( TCA) 循环中催化异柠檬酸生成α-酮戊二酸, 将NAD+ 或NADP + 还原成NADH 或NADPH. 根据空间结构特点, NADP-依赖性IDH 可分为同源二聚体IDH 和单体IDH , 它们对生物体的能量代谢、生物合成以及抗氧化胁迫起重要作用. 当碳源贫乏时, NADP-依赖性IDH 的可逆磷酸化对TCA 循环和乙醛酸旁路碳通量(carbon flux) 的分配起关键性调控作用. 因此目前IDH 是研究蛋白质的结构与功能关系、酶的催化与调节机制、蛋白质功能进化的最好模型之一.

异柠檬酸脱氢酶在生物体内有两种形式，即以NAD为电子受体的NAD-依赖型异柠檬酸脱氢酶和以NADP为电子受体的NADP-依赖型异柠檬酸脱氢酶广泛存在于真核生物各个细胞器（如叶绿体、线粒体、过氧化物酶体以及胞质）和原核细胞中，并表现出高活性，但它是一个小分子蛋白，不具有别构酶的性质，没有明显的调节作用，在真核生物中主要不是用于产能，而是在其它代谢中发挥作用。NAD-IDH 则普遍被认为仅仅存在于真核生物线粒体中，但由于在嗜酸硫细菌中也发现了NAD-IDH，因此它的分布也变得非常广泛。真核生物中的NAD-IDH 主要参与三羧酸循环，被认为是三羧酸循环的限速酶，负责催化异柠檬酸氧化脱羧成α-酮戊二酸，并将氧化型NAD还原成NADH.尽管真核生物NAD-IDH 是一个线粒体酶，但其基因却存在于细胞核染色体上，因此它是一个核编码的线粒体酶N2O。由于三羧酸循环在能量代谢中的重要作用，近年来国内外对其开展了大量深入的研究，包括酶的结构、酶学性质、基因克隆、蛋白的组装与转运、功能等各个方面，使人们对NAD-IDH 有了更多新的了解。

二、性质

①现已从多种生物中分离纯化了NAD-IDH 酶，并分析了酶的动力学性质，认为NAD-IDH 是一个别构酶，与异柠檬酸的关系呈S形曲线，而与NAD的关系则呈双曲线；NADH是竞争性抑制剂，NADPH 是非竞争性抑制剂，Mg2+、Mn2+都是激活剂。尽管不同来源的NAD-IDH 普遍表现这些酶学性质，但通过对真菌、高等动植物以及人NAD-IDH 的研究，发现影响酶活性的因素在不同物种中存在非常明显的差异，使NAD-IDH 的酶学性质变得非常复杂。哺乳动物的NAD-IDH 能够被钙离子激活，而在无脊椎动物、植物、酵母中不存在这种现象；研究者推测在哺乳动物NAD-IDH

的每个四聚体上可能有一个钙离子结合位点，但是将哺乳动物NAD-IDH 亚基的序列与酵母进行序列同源性比较后，并没有发现明显不同，也没有发现哺乳动物NAD-IDH 与其它钙结合蛋白存在明显的相似性，因此钙离子对哺乳动物NAD-IDH 活性影响的分子机理并不很清楚。

②腺苷酸等因子对酶活的影响也有很大差别。在酵母中，AMP、ADP 是NAD-IDH 的激活剂；但在豌豆中，AMP、ADP、ATP对酶活都没有任何正的或负的影响；在马铃薯中，AMP、ADP、ATP对酶活反而表现出一定程度的抑制作用；在哺乳

动物中，这个酶受ADP、ATP 浓度比的调控。

③Huang等发现Fe2+对猪NAD-IDH的酶活性产生影响，并在体外亲和切断亚基片段。在有氧与抗坏血酸存在的情况下，Fe2+能与猪NAD-IDHα亚基特异性结合，导致α亚基被切割成两个肽段而使酶完全失活；而且发现这种亲和切断仅仅发生在有活性的NAD-IDH上，如果用浓度为6mol/l的尿素使酶变性，Fe2+将不再把酶切割成两个片段，因此认为这种特异性切断与酶的结构有关。实验也发现这种亲和切断受Mn2+保护，但不受NAD、NADP等保护，因此认为是由于Mn2+与Fe2+竞争同一位点所致。在有异柠檬酸和氧存在的情况下，会促进Fe2+引起酶失活，但不会导致酶的亲和切断，表明在异柠檬酸存在下Fe2+离子导致失活另有原因，研究者认为可能是由于半胱氨酸氧化所致。

三、结构

真菌、细菌、高等动植物以及人NAD-IDH,的酶学性质表现明显差异，原因是其亚基组成在不同物种中也有很大差异。

现已从真菌、细菌、植物、动物等多个物种中实现了编码NAD-IDH基因的全长cDNA克隆，并在各物种间、同一物种各亚基间以及同一物种不同品种间进行了序列同源性比较。

四、功能与应用

随着NAD-IDH酶学结构、性质和基因克隆方面研究的深入，在生物学功能方面也开展了大量的研究，认为NAD-IDH是一个多功能酶，参与以下生物代谢途径。

I三羧酸循环中的限速酶

在真核生物中，NAD-IDH是三羧酸循环中的重要限速酶，催化异柠檬酸氧化脱羧成α-酮戊二酸并生成NADH等,在实验中发现缺失NAD-IDH活性的酵母菌株不能利用乙酸为碳源，而且在乳酸或者甘油为碳源的培养基上，生长速度也比野生型的慢很多，这个生长表型说明NAD-IDH确实在三羧酸循环中起着重要的作用。三羧酸循环作为能量代谢的重要途径，对生物体的生命活动起着重要的作用，能够提供远比糖酵解大得多的能量；而且不仅仅是糖代谢的重要途径，也是脂质、蛋白质和核酸代谢最终氧化成二氧化碳和水的重要途径。由于NAD-IDH是三羧酸循环的限速酶，因此NAD-IDH的活性对生物体的整个生命代谢都有很大影响。

II在氮代谢中的作用

烟草NAD-IDH的研究表明，NAD-IDH可能在氮代谢中起着重要作用。Lancien 等发现烟草经短期的氮饥饿后重新补给氮源时，编码NAD-IDH 基因的转录水平提高了，但是并没有发现表达的蛋白量出现增多，推测转录水平的提高可能是由于NAD-IDH催化异柠檬酸生成α-酮戊二酸，而α-酮戊二酸与谷氨酸合成有关；也