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
有可能是由于氮源的吸收需要三羧酸循环来提供能量。

然而在衣藻中的研究并没有发现NAD-IDH 对氮代谢存在明显影响。

III与线粒体基因的表达及线粒体的其它功能有关
由于在有些酵母中发现某些线粒体基因mRNA的5'-UTR能与NAD-IDH结合，因此推测这种结合可能在调节线粒体基因的翻译中起着重要作用。

Jong等用脉冲追踪标记蛋白的方法发现这种结合确实导致了线粒体基因翻译产物增加2-3倍，但是这些新合成的蛋白与野生型蛋白相比较更不稳定，降解速度提高了2-3倍，因此研究者认为NAD-IDH与线粒体基因mRNA结合后可能导致线粒体基因mRNA 进行了不正确的翻译。

五、结语
IDH 家族蛋白结构保守、功能多元, 在新陈代谢中起重要调控作用, 因此它们是蛋白质功能演化、线粒体起源、细胞凋亡以及药物开发等研究的最佳模型之一. 目前对该酶的认识已比较深入,但依然有很多未解之谜, 如真核生物IDH 的调节方式、植物IDH 的空间结构、IDH 与细胞凋亡的关系等. 对异柠檬酸脱氢酶结构与功能的全面解读, 将为IDH 在TCA 循环和乙醛酸旁路的起源与进化中的作用提供重要依据.
目前在NAD-IDH研究方面已经取得了很大进展。

从已有的成果来看，已经肯定了NAD-IDH 是三羧酸循环中的一个重要限速酶，而且也发现了NAD-IDH 还可能参与生物体其它生命活动，如线粒体基因的表达、氮的代谢等。

由于线粒体是真核生物重要的细胞器，因此其结构与功能的阐明对于线粒体的发生、线粒体的生命功能、生物能量代谢等领域的研究具有重要帮助作用。

但在NAD-IDH 很多领域研究仍很不深入，如植物NAD-IDH 的酶学结构、相关功能的分子机理等。

随着生物技术的发展，对NAD-IDH 的结构与功能必将有更深入的了解，将使人们清楚地了解NAD-IDH 是否参与植物的重要生命现象———细胞质雄性不育，进而为阐明细胞质雄性不育分子机理提供重要基础.
六、参考文献
1、陈海,陈喜文,陈德富 NAD-依赖型异柠檬酸脱氢酶的结构和功能研究进展
（南开大学生物化学与分子生物学系，天津300071）
2、朱国萍,黄恩启,赵军 NADP-异柠檬酸脱氢酶的结构与功能(安徽师范大学生物大分子进化重点实验室, 安徽芜湖241000)
3、李晓军，董亮，郭继强，赵淑娟,赵长新不同代数啤酒酵母对胞内代谢关键酶活性的影响（辽宁省发酵工程重点实验室，大连工业大学生物与食品工程学院，辽宁大连116034）
4、李志君,史锋,廖祥儒酿酒酵母线粒体NADH-激酶功能相关表型研究( 1. 食品科学与技术国家重点实验室, 江南大学, 江苏无锡214122; 2. 江南大学工业生物技术教育部重点实验室, 江苏无锡214122)
5、王冬群, 李太武, 苏秀榕三种蛏不同组织同工酶的比较分析( 宁波大学生命科学
与生物工程学院, 浙江宁波315211)
6、/view/83464.htm。