В энзимологии ксилозоизомераза ( EC 5.3.1.5) — это фермент , катализирующий взаимопревращение D-ксилозы и D-ксилулозы . Этот фермент принадлежит к семейству изомераз , в частности, к внутримолекулярным оксидоредуктазам, взаимопревращающим альдозы и кетозы . В настоящее время изомераза обнаружена почти у ста видов бактерий. [ 2] Ксилозоизомеразы также обычно называют фруктозоизомеразами из-за их способности взаимопревращать глюкозу и фруктозу. Систематическое название этого класса ферментов — D-ксилозоальдозо-кетозоизомераза. Другие общепринятые названия включают D-ксилозоизомеразу, D-ксилозокетоизомеразу и D-ксилозокетол-изомеразу. [3]
Активность D- ксилозоизомеразы была впервые обнаружена Мицухаши и Лампеном в 1953 году в бактерии Lactobacillus pentosus . [4] Искусственное производство с помощью трансформированных E.coli также было успешным. [5] В 1957 году активность D-ксилозоизомеразы при превращении D-глюкозы в D-фруктозу была отмечена Кои и Маршаллом. [6] Сейчас известно, что изомеразы обладают широкой субстратной специфичностью. Большинство пентоз и некоторые гексозы являются субстратами для D-ксилозоизомеразы. Некоторые примеры включают: D-рибозу, L-арабинозу, L-рамнозу и D-аллозу. [7]
Превращение глюкозы во фруктозу с помощью ксилозоизомеразы было впервые запатентовано в 1960-х годах, однако, этот процесс не был промышленно жизнеспособным, поскольку ферменты были суспендированы в растворе, и переработка фермента была проблематичной. [7] Неподвижная ксилозоизомераза, которая была зафиксирована на твердой поверхности, была впервые разработана в Японии Таканаши. [7] Эти разработки были необходимы для разработки промышленных процессов ферментации, используемых при производстве кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы . [8] : 27 [9] : 808–813 [10]
Третичная структура была определена для нескольких ксилозоизомераз из микробов, начиная с середины 1980-х годов ( Streptomyces olivochromogenes в 1988 году, Streptomyces violaceoniger в 1988 году, Streptomyces rubiginosus в 1984 году, Arthrobacter B3728 в 1986 году, Actinoplanes missouriensis в 1992 году и Clostridium thermosulfurogenes в 1990 году). [8] : 366
Этот фермент участвует в взаимопревращениях пентозы и глюкуроната , а также в метаболизме фруктозы и маннозы . Наиболее биодоступными сахарами по данным Международного общества редких сахаров являются: глюкоза, галактоза, манноза, фруктоза, ксилоза, рибоза и L-арабиноза. Двадцать гексоз и девять пентоз, включая ксилулозу, считались «редкими сахарами». Поэтому D-ксилозоизомераза используется для получения этих редких сахаров, которые имеют очень важное применение в биологии, несмотря на их низкую распространенность. [11]
Ксилозоизомеразу можно выделить из красного китайского рисового вина, которое содержит бактерию Lactobacillus xylosus . [12] Эту бактерию ошибочно отнесли к L. plantarum , которая обычно растет на сахаре L-арабинозе и редко растет на D-ксилозе. L. xylosus была признана отличающейся своей способностью расти на D-ксилозе. [13] Ксилозоизомераза в L. xylosus имеет молекулярную массу около 183000 дальтон. [14] Оптимальный pH роста для L. lactis составляет около 7,5 , однако такие штаммы, как фермент ксилозы L. brevis, предпочитают более щелочную среду. Штамм L. lactis стабилен в диапазоне pH от 6,5 до 11,0, а фермент L. brevis , который менее устойчив к изменениям pH, проявляет активность в диапазоне pH 5,7–7,0. [14] Кей Й. и Норитака Т. также провели термические испытания, и было обнаружено, что ксилозоизомераза является термически стабильной до температуры около 60 градусов по Цельсию [14]
Ксилозоизомераза имеет структуру, основанную на восьми альфа/бета-бочонках, которые создают активный сайт, удерживающий два двухвалентных иона магния. Ферменты ксилозоизомеразы демонстрируют складку бочкообразной структуры TIM с активным сайтом в центре бочки и тетрамерную четвертичную структуру . [15] Структуры PDB доступны по ссылкам в информационном поле справа. Белок представляет собой тетрамер , в котором парные бочки почти коаксиальны, что образует две полости, в которых двухвалентные металлы оба связаны с одной из двух полостей. Металлы находятся в октаэдрической геометрии. Металлический сайт 1 связывает субстрат прочно, в то время как металлический сайт 2 связывает субстрат слабо. Оба разделяют кислотный остаток, глутаминовую кислоту 216 фермента, которая соединяет два катиона. Две основные аминокислоты окружают отрицательно заряженные лиганды, чтобы нейтрализовать их. Вторая полость обращена к металлической полости, и обе полости имеют один и тот же путь доступа. Вторая полость гидрофобна и имеет остаток гистидина , активированный остатком аспартата , который связан с ним водородом . Этот остаток гистидина важен для изомеризации глюкозы. [16]
При изомеризации глюкозы гистидин 53 используется для катализа переноса протона O1 на O5; схема механизма раскрытия кольца показана ниже. Первый металл, упомянутый ранее, координируется с O3 и O4 и используется для стыковки субстрата. [16]
При изомеризации ксилозы данные кристаллов показывают, что ксилоза связывается с ферментом в виде открытой цепи. Металл 1 связывается с O2 и O4, а после связывания металл 2 связывается с O1 и O2 в переходном состоянии. Эти взаимодействия вместе с остатком лизина помогают катализировать гидридный сдвиг, необходимый для изомеризации. [17] [16] Переходное состояние состоит из высокоэнергетического карбоний-иона , который стабилизируется посредством всех взаимодействий металла с сахарным субстратом. [16]
Наиболее широкое применение этого фермента — преобразование глюкозы во фруктозу для производства кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы (HFCS). [8] : 27 Существует три основных этапа производства HFCS из крахмала: [9] : 808–813
Процесс осуществляется в биореакторах при температуре 60–65 °C. [8] : 27 Ферменты денатурируют при этих температурах, и одним из направлений исследований было создание более термостабильных версий ксилозоизомеразы и других ферментов в этом процессе. [8] : 27 [18] Ферменты, как правило, иммобилизуются для увеличения производительности, и поиск лучших способов сделать это был еще одним направлением исследований. [8] : 358–360 [19]
Ксилозоизомераза — один из ферментов, используемых бактериями в природе для использования гемицеллюлозы в качестве источника энергии, и еще одним направлением промышленных и академических исследований является разработка версий ксилозоизомеразы, которые могли бы быть полезны при производстве биотоплива . [8] : 358 [20] [21]
Способность ксилозоизомеразы преобразовывать глюкозу во фруктозу привела к предложению ее в качестве средства для лечения мальабсорбции фруктозы. [22] [23] Этот фермент используется в промышленных условиях и, как было показано, не вызывает аллергической реакции у людей. [22]
Продукты, содержащие ксилозоизомеразу, продаются как безрецептурные (OTC) пищевые добавки для борьбы с мальабсорбцией фруктозы под торговыми марками, включая Fructaid , Fructease , Fructase , Fructose Digest и Fructosin . Помимо общих опасений по поводу эффективности безрецептурных ферментов, [24] в настоящее время существует очень мало исследований, касающихся ксилозоизомеразы как пищевой добавки, [25] [22] с единственным научным исследованием [26], указывающим на положительный эффект при тошноте и болях в животе, связанных с мальабсорбцией, но ни одного на вздутие живота. [23] [25] [22] Это снижение выделения водорода из дыхания, продемонстрированное в этом исследовании, является потенциальным признаком того, что фруктоза усваивается намного лучше. [22] Однако результаты этого исследования не были подтверждены другими исследованиями, и это исследование не оценивало долгосрочные эффекты для здоровья и не пыталось определить, какие пациенты лучше всего подходят для лечения ксилозоизомеразой, если вообще подходят. [22] [23]
