В биохимии изомеразы — это общий класс ферментов , которые преобразуют молекулу из одного изомера в другой. Изомеразы облегчают внутримолекулярные перестройки , в которых связи разрываются и образуются. Общая форма такой реакции выглядит следующим образом:
Существует только один субстрат, дающий один продукт. Этот продукт имеет ту же молекулярную формулу , что и субстрат, но отличается связностью связей или пространственным расположением. Изомеразы катализируют реакции во многих биологических процессах, таких как гликолиз и метаболизм углеводов .
Изомеразы катализируют изменения внутри одной молекулы. [1] Они преобразуют один изомер в другой, что означает, что конечный продукт имеет ту же молекулярную формулу, но другую физическую структуру. Сами изомеры существуют во многих разновидностях, но в целом могут быть классифицированы как структурные изомеры или стереоизомеры . Структурные изомеры имеют разный порядок связей и/или разную связность связей друг от друга, как в случае гексана и его четырех других изомерных форм ( 2-метилпентан , 3-метилпентан , 2,2-диметилбутан и 2,3-диметилбутан ).
Стереоизомеры имеют одинаковый порядок отдельных связей и одинаковую связность, но трехмерное расположение связанных атомов отличается. Например, 2-бутен существует в двух изомерных формах: цис -2-бутен и транс -2-бутен. [2] Подкатегории изомераз, содержащие рацемазы, эпимеразы и цис-транс-изомеры, являются примерами ферментов, катализирующих взаимопревращение стереоизомеров. Внутримолекулярные лиазы, оксидоредуктазы и трансферазы катализируют взаимопревращение структурных изомеров.
Распространенность каждого изомера в природе частично зависит от энергии изомеризации , разницы в энергии между изомерами. Изомеры, близкие по энергии, могут легко взаимопревращаться и часто встречаются в сопоставимых пропорциях. Энергия изомеризации, например, для преобразования стабильного цис- изомера в менее стабильный транс -изомер больше, чем для обратной реакции, что объясняет, почему в отсутствие изомераз или внешнего источника энергии, такого как ультрафиолетовое излучение, данный цис -изомер имеет тенденцию присутствовать в больших количествах, чем транс -изомер. Изомеразы могут увеличивать скорость реакции , снижая энергию изомеризации. [3]
Расчет кинетики изомеразы из экспериментальных данных может быть более сложным, чем для других ферментов, поскольку использование экспериментов по ингибированию продукта непрактично. [4] То есть, изомеризация не является необратимой реакцией , поскольку реакционный сосуд будет содержать один субстрат и один продукт, поэтому типичная упрощенная модель для расчета кинетики реакции не работает. Существуют также практические трудности в определении определяющего скорость этапа при высоких концентрациях в одной изомеризации. Вместо этого, возмущение трассера может преодолеть эти технические трудности, если есть две формы несвязанного фермента. Этот метод использует изотопный обмен для косвенного измерения взаимопревращения свободного фермента между его двумя формами. Радиоактивно меченый субстрат и продукт диффундируют в зависимости от времени. Когда система достигает равновесия , добавление немеченого субстрата возмущает или выводит ее из равновесия. Когда равновесие снова устанавливается, радиоактивно меченый субстрат и продукт отслеживаются для определения энергетической информации. [5]
Самое раннее использование этой техники выявило кинетику и механизм , лежащие в основе действия фосфоглюкомутазы , отдавая предпочтение модели непрямого переноса фосфата с одним промежуточным продуктом и прямого переноса глюкозы . [6] Затем эта техника была принята для изучения профиля рацемазы пролина и ее двух состояний: формы, которая изомеризует L- пролин , и другой для D-пролина. При высоких концентрациях было показано, что переходное состояние в этом взаимопревращении является лимитирующим по скорости и что эти формы фермента могут отличаться только протонированием в кислотных и основных группах активного центра . [ 5]
Как правило, «названия изомераз формируются как « субстратная изомераза» (например, еноил-КоА-изомераза ) или как « субстратный тип изомеразы » (например, фосфоглюкомутаза )». [7]
Каждая из реакций, катализируемых ферментами, имеет уникальный присвоенный классификационный номер. Реакции, катализируемые изомеразой, имеют свою собственную категорию EC : EC 5. [8] Изомеразы далее классифицируются на шесть подклассов:
Эта категория (EC 5.1) включает ( рацемазы ) и эпимеразы ). Эти изомеразы инвертируют стереохимию на целевом хиральном углероде . Рацемазы действуют на молекулы с одним хиральным углеродом для инверсии стереохимии, тогда как эпимеразы нацелены на молекулы с несколькими хиральными углеродами и действуют на один из них. Молекула только с одним хиральным углеродом имеет две энантиомерные формы, такие как серин, имеющий изоформы D-серина и L-серина, отличающиеся только абсолютной конфигурацией относительно хирального углерода. Молекула с несколькими хиральными углеродами имеет две формы на каждом хиральном углероде. Изомеризация на одном хиральном углероде нескольких дает эпимеры , которые отличаются друг от друга абсолютной конфигурацией только на одном хиральном углероде. [2] Например, D- глюкоза и D- манноза различаются по конфигурации только на одном хиральном углероде. Этот класс далее подразделяется по группе, на которую действует фермент:
Эта категория (EC 5.2) включает ферменты, катализирующие изомеризацию цис-транс-изомеров . Алкены и циклоалканы могут иметь цис-транс-стереоизомеры. Эти изомеры различаются не по абсолютной конфигурации , а по положению замещающих групп относительно плоскости отсчета, например, по двойной связи или относительно кольцевой структуры. Цис -изомеры имеют замещающие группы на одной стороне, а транс- изомеры имеют группы на противоположных сторонах. [2]
Эта категория больше не разбита. Все записи в настоящее время включают:
Эта категория (EC 5.3) включает внутримолекулярные оксидоредуктазы . Эти изомеразы катализируют перенос электронов из одной части молекулы в другую. Другими словами, они катализируют окисление одной части молекулы и одновременное восстановление другой части. [8] Подкатегории этого класса:
Эта категория (EC 5.4) включает внутримолекулярные трансферазы ( мутазы ). Эти изомеразы катализируют перенос функциональных групп из одной части молекулы в другую. [8] Фосфотрансферазы (EC 5.4.2) были отнесены к категории трансфераз (EC 2.7.5) с регенерацией доноров до 1983 года. [9] Этот подкласс можно разбить в соответствии с функциональной группой, которую переносит фермент:
Эта категория (EC 5.5) включает внутримолекулярные лиазы . Эти ферменты катализируют «реакции, в которых группа может рассматриваться как отщепленная от одной части молекулы, оставляя двойную связь, оставаясь при этом ковалентно присоединенной к молекуле». [8] Некоторые из этих катализируемых реакций включают разрыв кольцевой структуры.
Эта категория больше не разбита. Все записи в настоящее время включают:
Классическим примером раскрытия и сжатия кольца является изомеризация глюкозы ( альдегида с шестичленным кольцом) во фруктозу ( кетон с пятичленным кольцом). Превращение D-глюкозо-6-фосфата в D-фруктозо-6-фосфат катализируется глюкозо-6-фосфатизомеразой , внутримолекулярной оксидоредуктазой . Общая реакция включает раскрытие кольца с образованием альдозы посредством кислотно-основного катализа и последующее образование промежуточного цис-эндиола. Затем образуется кетоза, и кольцо снова замыкается.
Глюкозо-6-фосфат сначала связывается с активным сайтом изомеразы. Изомераза открывает кольцо: его остаток His388 протонирует кислород на глюкозном кольце (и тем самым разрывает связь O5-C1) в сочетании с Lys518, депротонируя гидроксильный кислород C1. Кольцо открывается, образуя прямую альдозу с кислым протоном C2. Связь C3-C4 вращается, и Glu357 (при содействии His388) депронирует C2, образуя двойную связь между C1 и C2. Образуется промежуточный цис-эндиол , и кислород C1 протонируется каталитическим остатком, что сопровождается депротонированием кислорода эндиола C2. Образуется прямая кетоза . Чтобы закрыть кольцо фруктозы, происходит обратная реакция открытия кольца, и кетоза протонируется. [10]
Пример эпимеризации можно найти в цикле Кальвина, когда D-рибулозо-5-фосфат преобразуется в D-ксилулозо-5-фосфат с помощью рибулозо-фосфат 3-эпимераза . Субстрат и продукт различаются только стереохимией на третьем углероде в цепи. Основной механизм включает депротонирование этого третьего углерода с образованием реактивного енолятного промежуточного продукта. Активный центр фермента содержит два остатка Asp . После того, как субстрат связывается с ферментом, первый Asp депротонирует третий углерод с одной стороны молекулы. Это оставляет плоский sp 2 -гибридизованный промежуточный продукт. Второй Asp находится на противоположной стороне активной стороны и протонирует молекулу, эффективно добавляя протон с задней стороны. Эти сопряженные шаги инвертируют стереохимию на третьем углероде. [11]
Хоризматмутаза является внутримолекулярной трансферазой и катализирует превращение хоризмата в префенат , используемый в качестве предшественника L-тирозина и L-фенилаланина в некоторых растениях и бактериях. Эта реакция представляет собой перегруппировку Кляйзена , которая может протекать как с изомеразой, так и без нее, хотя скорость увеличивается в 10 6 раз в присутствии хоризматмутазы. Реакция проходит через переходное состояние кресла с субстратом в трансдиаксиальном положении. [12] Экспериментальные данные указывают на то, что изомераза селективно связывает переходное состояние кресла, хотя точный механизм катализа неизвестен. Считается, что это связывание стабилизирует переходное состояние посредством электростатических эффектов, что объясняет резкое увеличение скорости реакции в присутствии мутазы или при добавлении специально размещенного катиона в активном центре. [13]
Изопентенилдифосфат-дельта-изомераза типа I (также известная как IPP-изомераза) наблюдается в синтезе холестерина и, в частности, катализирует превращение изопентенилдифосфата (IPP) в диметилаллилдифосфат (DMAPP). В этой реакции изомеризации стабильная двойная углерод-углеродная связь перестраивается, создавая высокоэлектрофильный аллильный изомер . IPP-изомераза катализирует эту реакцию путем стереоселективной антарафациальной транспозиции одного протона. Двойная связь протонируется в C4 с образованием промежуточного третичного карбокатиона в C3. Соседний углерод, C2, депротонируется с противоположной стороны, образуя двойную связь. [14] По сути, двойная связь смещается.
Изомераза играет роль в болезнях человека. Дефицит этого фермента может вызывать расстройства у людей.
Дефицит фосфогексозоизомеразы (PHI) также известен как дефицит фосфоглюкозоизомеразы или дефицит глюкозо-6-фосфатизомеразы и является наследственным дефицитом фермента. PHI является второй по частоте эргоэнзимопатией в гликолизе помимо дефицита пируваткиназы и связан с несфероцитарной гемолитической анемией различной степени тяжести. [15] [16] Это заболевание сосредоточено на белке глюкозо-6-фосфата. Этот белок можно обнаружить в секреции некоторых раковых клеток. [17] PHI является результатом димерного фермента, который катализирует обратимое взаимопревращение фруктозо-6-фосфата и глюкозо-6-фосфата. [15]
PHI — очень редкое заболевание, на сегодняшний день в литературе описано всего 50 случаев. [15]
Диагноз ставится на основании клинической картины в сочетании с биохимическими исследованиями, выявляющими дефицит GPI эритроцитов (от 7 до 60% от нормы) и идентификацией мутации в гене GPI с помощью молекулярного анализа. [15]
Дефицит фосфогексозоизомеразы может привести к состоянию, называемому гемолитическим синдромом. Как и у людей, гемолитический синдром, который характеризуется уменьшением числа эритроцитов, снижением гематокрита, снижением гемоглобина , увеличением числа ретикулоцитов и концентрацией билирубина в плазме, а также увеличением печеночно- и селезеночно-соматических индексов, проявлялся исключительно у гомозиготных мутантов. [16]
Заболевание, называемое дефицитом триозофосфатизомеразы (TPI), является тяжелым аутосомно-рецессивным наследственным мультисистемным расстройством гликолитического метаболизма. [18] Оно характеризуется гемолитической анемией и нейродегенерацией и вызвано анаэробной метаболической дисфункцией. Эта дисфункция является результатом миссенс-мутации, которая влияет на кодируемый белок TPI. [19] Наиболее распространенной мутацией является замена гена Glu104Asp, которая производит наиболее тяжелый фенотип и отвечает примерно за 80% клинического дефицита TPI. [18]
Дефицит TPI встречается очень редко, в литературе описано менее 50 случаев. [20] Будучи аутосомно-рецессивным наследственным заболеванием, дефицит TPI имеет 25% риск рецидива в случае гетерозиготных родителей. [18] [20] Это врожденное заболевание, которое чаще всего встречается с гемолитической анемией и проявляется желтухой. [18] Большинство пациентов с TPI для мутации Glu104Asp или гетерозиготных для нулевого аллеля TPI и Glu104Asp имеют продолжительность жизни от младенчества до раннего детства. Пациенты с TPI с другими мутациями, как правило, показывают более длительную продолжительность жизни. Есть только два случая, когда люди с TPI жили дольше 6 лет. Эти случаи касаются двух братьев из Венгрии, у одного из которых не развились неврологические симптомы до 12 лет, и старшего брата, у которого не было неврологических симптомов и который страдал только анемией. [21]
У лиц с TPI очевидные симптомы проявляются после 6–24 месяцев. Эти симптомы включают: дистонию, тремор, дискинезию, признаки пирамидного пути, кардиомиопатию и поражение спинальных двигательных нейронов. [18] У пациентов также часто наблюдаются бактериальные инфекции дыхательной системы. [18]
TPI обнаруживается через дефицит ферментативной активности и накопление дигидроксиацетонфосфата (DHAP), который является токсичным субстратом, в эритроцитах. [18] [20] Это можно обнаружить с помощью физического осмотра и ряда лабораторных исследований. При обнаружении обычно наблюдаются миопатические изменения в мышцах и хроническая аксональная невропатия, обнаруженная в нервах. [18] Диагноз TPI может быть подтвержден с помощью молекулярной генетики. [18] Анализ ДНК хорионических ворсин или анализ фетальных эритроцитов может быть использован для обнаружения TPI в дородовой диагностике. [18]
Лечение TPI не является специфическим, но варьируется в зависимости от разных случаев. Из-за спектра симптомов, которые вызывает TPI, для лечения одного человека может потребоваться группа специалистов. Эта группа специалистов будет состоять из педиатров, кардиологов, неврологов и других медицинских работников, которые могут разработать комплексный план действий. [22]
Поддерживающие меры, такие как переливание эритроцитов в случаях тяжелой анемии, могут быть также приняты для лечения TPI. В некоторых случаях удаление селезенки (спленэктомия) может улучшить анемию. Не существует лечения, которое могло бы предотвратить прогрессирующее неврологическое ухудшение любого другого негематологического клинического проявления заболеваний. [23]
Наиболее распространенное применение изомераз в промышленности — производство сахара . Глюкозоизомераза (также известная как ксилозоизомераза ) катализирует превращение D -ксилозы и D- глюкозы в D -ксилулозу и D- фруктозу . Как и большинство сахарных изомераз, глюкозоизомераза катализирует взаимопревращение альдоз и кетоз . [24]
Превращение глюкозы во фруктозу является ключевым компонентом производства кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы . Изомеризация более специфична, чем старые химические методы производства фруктозы, что приводит к более высокому выходу фруктозы и отсутствию побочных продуктов . [24] Фруктоза, полученная в результате этой реакции изомеризации, более чистая и не имеет остаточных привкусов от загрязняющих веществ . Кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы предпочитают многие производители кондитерских изделий и газированных напитков из-за высокой подслащивающей способности фруктозы (вдвое больше, чем у сахарозы [25] ), ее относительно низкой стоимости и ее неспособности кристаллизоваться. Фруктоза также используется в качестве подсластителя для диабетиков . [24] Основные проблемы использования глюкозоизомеразы включают ее инактивацию при более высоких температурах и необходимость высокого pH (от 7,0 до 9,0) в реакционной среде. Умеренно высокие температуры, выше 70 °C, увеличивают выход фруктозы по крайней мере наполовину на этапе изомеризации. [26] Ферменту требуется двухвалентный катион, такой как Co2 + и Mg2 + для пиковой активности, что является дополнительными расходами для производителей. Глюкозоизомераза также имеет гораздо более высокое сродство к ксилозе, чем к глюкозе, что требует тщательно контролируемой среды. [24]
Изомеризация ксилозы в ксилулозу имеет свои собственные коммерческие приложения, поскольку интерес к биотопливу возрос. Эта реакция часто наблюдается в природе у бактерий, которые питаются разлагающимся растительным материалом. Наиболее распространенным ее промышленным применением является производство этанола , достигаемое путем ферментации ксилулозы . Использование гемицеллюлозы в качестве исходного материала очень распространено. Гемицеллюлоза содержит ксилан , который сам по себе состоит из ксилозы в β(1,4) связях . [27] Использование глюкозоизомеразы очень эффективно преобразует ксилозу в ксилулозу, на которую затем можно воздействовать с помощью ферментирующих дрожжей . В целом, обширные исследования в области генной инженерии были инвестированы в оптимизацию глюкозоизомеразы и облегчение ее извлечения из промышленных приложений для повторного использования.
Глюкозоизомераза способна катализировать изомеризацию ряда других сахаров, включая D- рибозу , D- аллозу и L- арабинозу . Наиболее эффективными субстратами являются те, которые похожи на глюкозу и ксилозу, имеющие экваториальные гидроксильные группы на третьем и четвертом атомах углерода. [28] Текущая модель механизма глюкозоизомеразы — это модель гидридного сдвига, основанная на рентгеновской кристаллографии и исследованиях изотопного обмена. [24]
Некоторые изомеразы связываются с биологическими мембранами как периферические мембранные белки или закреплены посредством одной трансмембранной спирали [29] , например, изомеразы с доменом тиоредоксин и некоторые пролилизомеразы .
![{\displaystyle {\ce {AB}}\quad {\xrightarrow[{\text{ изомераза }}]{}}\quad {\ce {BA}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3e7114e4d3961ea355ca13869f9ea72fc1b38e08)
