stringtranslate.com

Ксилозоизомераза

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 глюкозоизомеразами или фруктозоизомеразами из-за их способности взаимопревращать глюкозу и фруктозу. Систематическое название этого класса ферментов — α-D-ксилопиранозоальдозо-кетозо-изомераза. Другие общеупотребительные названия включают D-ксилозоизомеразу, D-ксилозокетоизомеразу и D-ксилозокетол-изомеразу. [3]

История

Активность D- ксилозоизомеразы была впервые обнаружена Мицухаши и Лампеном в 1953 году в бактерии Lactobacillus pentosus . [4] Она также была успешно получена в трансформированной E.coli . [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 промышленным, поскольку ферменты находились в растворе, а 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]

Третичные структуры нескольких микробных ксилозоизомераз были определены 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 

Функция

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]

Характеристика

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]

Активный сайт и механизм

Ксилозоизомераза имеет структуру, основанную на восьми альфа/бета-бочонках, которые создают активный сайт, удерживающий два двухвалентных иона магния. Ферменты ксилозоизомеразы демонстрируют складку бочонка TIM с активным сайтом в центре бочонка и тетрамерную четвертичную структуру . [15] Структуры PDB доступны по ссылкам в информационном поле справа. Белок представляет собой тетрамер , в котором парные бочонки 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]

механизм раскрытия кольца глюкозы

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]

механизм изомеризации ксилозы

Применение в промышленности

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  Многие 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, а еще одним направлением промышленных и академических исследований является разработка версий ксилозоизомеразы, которые могли бы быть полезны при производстве биотоплива . [8] : 358  [20] [21]

В качестве пищевой добавки

Превращение глюкозы во фруктозу с помощью ксилозоизомеразы
Превращение глюкозы во фруктозу с помощью ксилозоизомеразы. Изображение взято из doi :10.1017/S0007114521001215 [22] в соответствии с условиями лицензии CC BY 4.0; авторы: Майлз Бенардо, Адам Ле Гресли, Амр ЭльШаер и Стивен П. Рен.

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]

Ссылки

  1. ^ Katz AK, Li X, Carrell HL, Hanson BL, Langan P, Coates L, et al. (Май 2006). «Расположение атомов водорода активного центра в D-ксилозоизомеразе: времяпролетная нейтронная дифракция». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (22): 8342–8347. Bibcode : 2006PNAS..103.8342K. doi : 10.1073/pnas.0602598103 . PMC 1482496. PMID  16707576 . 
  2. ^ Xiao H, Gu Y, Ning Y, Yang Y, Mitchell WJ, Jiang W и др. (ноябрь 2011 г.). «Подтверждение и устранение узких мест метаболизма ксилозы в Clostridium acetobutylicum с дефицитом глюкозо-фосфоенолпируват-зависимой фосфотрансферазной системы для одновременного использования глюкозы, ксилозы и арабинозы». Applied and Environmental Microbiology . 77 (22): 7886–7895. Bibcode :2011ApEnM..77.7886X. doi :10.1128/AEM.00644-11. PMC 3208996 . PMID  21926197. 
  3. ^ Mu W, Hassanin HA, Zhou L, Jiang B (декабрь 2018 г.). «Химия редких сахаров и биопереработка». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 66 (51): 13343–13345. doi :10.1021/acs.jafc.8b06293. PMID  30543101. S2CID  56145019.
  4. ^ Mitsuhashi S, Lampen JO (октябрь 1953 г.). «Преобразование D-ксилозы в D-ксилулозу в экстрактах Lactobacillus pentosus» (PDF) . The Journal of Biological Chemistry . 204 (2): 1011–1018. doi : 10.1016/S0021-9258(18)66103-4 . PMID  13117877. Архивировано (PDF) из оригинала 2020-01-02 . Получено 2017-01-16 .
  5. ^ Schomburg D, Schomburg I (2001). "Ксилозоизомераза". Справочник по ферментам . Т. Класс 5: Изомеразы. Нью-Йорк: Springer. С. 259–260. ISBN 978-3-540-41008-9. Архивировано из оригинала 2020-07-26 . Получено 2020-07-19 .
  6. ^ Marshall RO, Kooi ER (апрель 1957). «Ферментативное превращение D-глюкозы в D-фруктозу». Science . 125 (3249): 648–649. Bibcode :1957Sci...125..648M. doi :10.1126/science.125.3249.648. PMID  13421660.
  7. ^ abc Jokela J, Pastinen O, Leisola M (2002). «Изомеризация пентозных и гексозных сахаров ферментным реактором, заполненным сшитыми кристаллами изомеразы ксилозы». Enzyme and Microbial Technology . 31 (1–2): 67–76. doi :10.1016/s0141-0229(02)00074-1.
  8. ^ abcdefg Wong DW (1995). Структура и механизм действия пищевых ферментов . Бостон, Массачусетс: Springer US. ISBN 978-1-4757-2349-6.
  9. ^ ab Hobbs L (2009). "21 - Подсластители из крахмала: производство, свойства и применение". В BeMiller JN, Whistler RL (ред.). Крахмал: химия и технология (3-е изд.). Лондон: Academic Press/Elsevier. стр. 797–832. ISBN 978-0-12-746275-2.
  10. ^ «Кукурузный сироп и его кулинарное применение: безопасно ли его употреблять?». The Times of India . ISSN  0971-8257. Архивировано из оригинала 2024-02-16 . Получено 2024-02-16 .
  11. ^ Beerens K, Desmet T, Soetaert W (июнь 2012). «Ферменты для биокаталитического производства редких сахаров». Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии . 39 (6): 823–834. doi : 10.1007/s10295-012-1089-x . PMID  22350065. S2CID  14877957.
  12. ^ Китахара К (1966). «Исследования молочнокислых бактерий». Нюсанкин Но Кенкю : 67~69.
  13. ^ Бьюкенен RE, Гиббонс NE (1974). Руководство Берджи по определению бактериологии (8-е изд.). Балтимор: Williams and Wilkins Co., стр. 584.
  14. ^ abc Яманака К, Такахара Н (1977). «Очистка и свойства D-ксилозоизомеразы из Lactobacillus xylosus». Agric. Biol. Chem . 41 (10): 1909–1915. doi : 10.1271/bbb1961.41.1909 .
  15. ^ "Устаревшие службы < EMBL-EBI". Архивировано из оригинала 2024-04-01 . Получено 2015-02-06 .
  16. ^ abcd Blow DM, Collyer CA, Goldberg JD, Smart OS (1992). «Структура и механизм D-ксилозоизомеразы». Faraday Discussions . 93 (93): 67–73. Bibcode : 1992FaDi...93...67B. doi : 10.1039/fd9929300067. PMID  1290940.
  17. ^ Нам КХ (2022). «Глюкозоизомераза: функции, структуры и применение». Прикладные науки . 12 : 428. doi : 10.3390/app12010428 . В данной статье использован текст из этого источника, доступный по лицензии CC BY 4.0.
  18. ^ Qiu Y, Wu M, Bao H, Liu W, Shen Y (сентябрь 2023 г.). «Инженерия Saccharomyces cerevisiae для коферментации глюкозы и ксилозы: текущее состояние и перспективы». Engineering Microbiology . 3 (3): 100084. doi : 10.1016/j.engmic.2023.100084 . ISSN  2667-3703.
  19. ^ Волкин ДБ, Клибанов А.М. (апрель 1989). «Механизм термоинактивации иммобилизованной глюкозоизомеразы». Биотехнология и биоинженерия . 33 (9): 1104–1111. doi :10.1002/bit.260330905. PMID  18588027. S2CID  39076432.
  20. ^ ван Марис А.Дж., Винклер А.А., Кайпер М., де Лаат В.Т., ван Дейкен Дж.П., Пронк Дж.Т. (2007). «Развитие эффективной ферментации ксилозы в Saccharomyces cerevisiae: ксилозоизомераза как ключевой компонент». Достижения в области биохимической инженерии/биотехнологии . 108 : 179–204. дои : 10.1007/10_2007_057. ISBN 978-3-540-73650-9. PMID  17846724. Архивировано из оригинала 2023-12-31 . Получено 2023-12-31 .
  21. ^ Silva PC, Ceja-Navarro JA, Azevedo F, Karaoz U, Brodie EL, Johansson B (февраль 2021 г.). «Новая D-ксилозоизомераза из кишечника жука-древоточца Odontotaenius disjunctus, эффективно экспрессирующаяся в Saccharomyces cerevisiae». Scientific Reports . 11 (1): 4766. Bibcode :2021NatSR..11.4766S. doi :10.1038/s41598-021-83937-z. hdl : 1822/72966 . PMC 7910561 . PMID  33637780. 
  22. ^ abcdefg Benardout M, Le Gresley A, ElShaer A, Wren SP (февраль 2022 г.). «Мальабсорбция фруктозы: причины, диагностика и лечение». Британский журнал питания . 127 (4): 481–489. doi : 10.1017/S0007114521001215 . PMID  33818329. В данной статье использован текст из этого источника, доступный по лицензии CC BY 4.0.
  23. ^ abc Fernández-Bañares F (май 2022 г.). «Нарушение усвоения и непереносимость углеводов». Питательные вещества . 14 (9): 1923. doi : 10.3390/nu14091923 . PMC 9099680. PMID  35565890 .  В данной статье использован текст из этого источника, доступный по лицензии CC BY 4.0.
  24. ^ Komericki P, Akkilic-Materna M, Strimitzer T, Weyermair K, Hammer HF, Aberer W (ноябрь 2012 г.). «Пероральная ксилозоизомераза снижает выделение водорода из дыхания и улучшает желудочно-кишечные симптомы при мальабсорбции фруктозы — двойное слепое плацебо-контролируемое исследование». Alimentary Pharmacology & Therapeutics . 36 (10): 980–987. doi : 10.1111/apt.12057 . PMID  23002720. S2CID  6047336.
  25. ^ ab Singh RS, Singh T, Pandey A (2019). «Микробные ферменты — обзор». Достижения в технологии ферментов . стр. 1–40. doi :10.1016/B978-0-444-64114-4.00001-7. ISBN 978-0-444-64114-4.
  26. ^ Komericki P, Akkilic-Materna M, Strimitzer T, Weyermair K, Hammer HF, Aberer W (ноябрь 2012 г.). «Пероральная ксилозоизомераза снижает выделение водорода из дыхания и улучшает желудочно-кишечные симптомы при мальабсорбции фруктозы — двойное слепое плацебо-контролируемое исследование». Alimentary Pharmacology & Therapeutics . 36 (10): 980–987. doi : 10.1111/apt.12057 . PMID  23002720. S2CID  6047336.

Дальнейшее чтение