Изомеразалар: Молекулалық изомерлерді өзгерту ферменттері

Кіріспе

Изомеразалар – молекулаларды изомерлік түрлерге айналдыратын ферменттер класы. Биохимияда изомеразалар – молекулаларды бір изомерден екінші изомерге айналдыратын ферменттердің жалпы класы. Изомеразалар молекула ішіндегі қайта құрылымдалуға көмектеседі, онда химиялық байланыстар үзіліп, жаңалары пайда болады. Мұндай реакцияның жалпы формуласы төмендегідей:

Тек бір субстраттан бір өнім алынады. Бұл өнімнің молекулалық формуласы субстратқа ұқсас, бірақ химиялық байланыстардың орналасуы немесе кеңістіктегі құрылымы әртүрлі болады. Изомеразалар гликолиз және көмірсулар метаболизмі сияқты көптеген биологиялық процестерде реакцияларды катализдейді.

Изомерлеу

Изомеразалар бір молекула ішінде өзгерістерді катализдейді. Олар бір изомерді екіншісіне айналдырады, яғни соңғы өнімнің молекулалық формуласы бірдей, бірақ физикалық құрылымы әртүрлі. Изомерлердің өзі көптеген түрлерде кездеседі, бірақ оларды жалпы алғанда құрылымдық изомерлер немесе стереоизомерлер деп жіктеуге болады. Құрылымдық изомерлерде байланыстардың реті және/немесе байланыстардың байланысуы әртүрлі болады, мысалы, гексан және оның басқа төрт изомерлік түрі (2 метилпентан, 3 метилпентан, 2,2 диметилбутан және 2,3 диметилбутан) жағдайында. Стереоизомерлерде жеке байланыстардың реті мен байланысу қабілеті бірдей, бірақ байланысқан атомдардың үш өлшемді орналасуы әртүрлі. Мысалы, 2-бутен екі изомерлік түрде бар: цис-2-бутен және транс-2-бутен. Рацемазаларды, эпимеразаларды және цис-транс изомерлерді қамтитын изомеразалардың кіші топтары стереоизомерлердің өзара түрленуін катализдейтін ферменттердің мысалдары болып табылады. Молекулалық лиаздар, оксидоредуктазалар және трансферазалар құрылымдық изомерлердің өзара түрленуін катализдейді. Табиғаттағы әрбір изомердің таралуы, ішінара, изомерлендіру энергиясына – изомерлер арасындағы энергия айырмашылығына байланысты. Энергия жақын изомерлер оңай түрленеді және көбінесе салыстырмалы пропорцияда кездеседі. Изомеризациялық энергия, мысалы, тұрақты цис изомерінен тұрақсыз транс изомеріне түрлену үшін кері реакцияға қарағанда жоғары, сондықтан изомеразалар немесе ультракүлгін сәуле сияқты сыртқы энергия көзі болмаған жағдайда, берілген цис изомері транс изомерге қарағанда көбірек мөлшерде болады. Изомеразалар изомерлендіру энергиясын төмендету арқылы реакция жылдамдығын арттыра алады. Эксперименттік деректерден изомераза кинетикасын есептеу басқа ферменттерге қарағанда қиын болуы мүмкін, өйткені өнімді тежеу эксперименттерін пайдалану практикалық емес. Яғни, изомеризация кері қайтарылмайтын реакция емес, өйткені реакциялық ыдыста бір субстрат және бір өнім болады, сондықтан реакция кинетикасын есептеудің әдеттегі жеңілдетілген моделі қолданылмайды. Сонымен қатар, бір ғана изомерленуде жоғары концентрациядағы жылдамдық шектеуші қадамды анықтаудың практикалық қиындықтары бар. Керісінше, егер байланыспаған ферменттің екі түрі болса, трассерлік бұзылыс осы техникалық қиындықтарды жеңе алады. Бұл әдіс тәуелсіз ферменттің екі түрінің өзара түрленуін жанама өлшеу үшін изотоп алмасуды қолданады. Радиобелгіленген субстрат пен өнім уақытқа байланысты түрде диффузияланады. Жүйе тепе-теңдікке жеткенде, белгіленбеген субстратты қосу оны бұзады немесе тепе-теңдікті бұзады. Тепе-теңдік қайта орнатылғанда радиобелгіленген субстрат пен өнім энергетикалық ақпаратты анықтау үшін қадағаланады. Бұл техниканы алғаш рет қолдану фосфоглюкомутазаның әрекеті мен кинетикасын және механизмін анықтады, фосфатты бір аралықпен жанама түрде және глюкозаны тікелей тасымалдау моделін қолдады. Бұл әдіс кейін пролин рацемазасының профилін және оның екі күйін зерттеу үшін қабылданды: L пролинді изомерлендіретін форма және D пролин үшін екіншісі. Жоғары концентрацияларда осы өзара түрленудегі өтпелі күй жылдамдық шектеуші екендігі және фермент түрлерінің белсенді ортаның қышқыл және негіздік топтарындағы протондалудан ғана ерекшеленуі мүмкін екендігі көрсетілді.

Isomerases catalyze changes within one molecule. They convert one isomer to another, meaning that the end product has the same molecular formula but a different physical structure. Isomers themselves exist in many varieties but can generally be classified as structural isomers or stereoisomers. Structural isomers have a different ordering of bonds and/or different bond connectivity from one another, as in the case of hexane and its four other isomeric forms (2 methylpentane, 3 methylpentane, 2,2 dimethylbutane, and 2,3 dimethylbutane). Stereoisomers have the same ordering of individual bonds and the same connectivity but the three dimensional arrangement of bonded atoms differ. For example, 2 butene exists in two isomeric forms: cis 2 butene and trans 2 butene. The sub categories of isomerases containing racemases, epimerases and cis trans isomers are examples of enzymes catalyzing the interconversion of stereoisomers. Intramolecular lyases, oxidoreductases and transferases catalyze the interconversion of structural isomers. The prevalence of each isomer in nature depends in part on the isomerization energy, the difference in energy between isomers. Isomers close in energy can interconvert easily and are often seen in comparable proportions. The isomerization energy, for example, for converting from a stable cis isomer to the less stable trans isomer is greater than for the reverse reaction, explaining why in the absence of isomerases or an outside energy source such as ultraviolet radiation a given cis isomer tends to be present in greater amounts than the trans isomer. Isomerases can increase the reaction rate by lowering the isomerization energy. Calculating isomerase kinetics from experimental data can be more difficult than for other enzymes because the use of product inhibition experiments is impractical. That is, isomerization is not an irreversible reaction since a reaction vessel will contain one substrate and one product so the typical simplified model for calculating reaction kinetics does not hold. There are also practical difficulties in determining the rate determining step at high concentrations in a single isomerization. Instead, tracer perturbation can overcome these technical difficulties if there are two forms of the unbound enzyme. This technique uses isotope exchange to measure indirectly the interconversion of the free enzyme between its two forms. The radiolabeled substrate and product diffuse in a time dependent manner. When the system reaches equilibrium the addition of unlabeled substrate perturbs or unbalances it. As equilibrium is established again, the radiolabeled substrate and product are tracked to determine energetic information. The earliest use of this technique elucidated the kinetics and mechanism underlying the action of phosphoglucomutase, favoring the model of indirect transfer of phosphate with one intermediate and the direct transfer of glucose. This technique was then adopted to study the profile of proline racemase and its two states: the form which isomerizes L proline and the other for D proline. At high concentrations it was shown that the transition state in this interconversion is rate limiting and that these enzyme forms may differ just in the protonation at the acidic and basic groups of the active site.

Жіктеу

Энзимдер катализдейтін реакциялардың әрқайсысына ерекше жіктеу нөмірі тағайындалады. Изомераза катализдейтін реакциялардың өз ЕК санаты бар: ЕК 5. Бұл кластың кіші санаттары:

+ Интрамолекулалық оксидоредуктазалар: ЕК нөмірі Сипаттама Мысалдар ЕК 5.3.1 Алдозалар мен кетозаларды өзара түрлендіру Триоза фосфат изомеразасы, Рибоза 5-фосфат изомеразасы ЕК 5.3.2 Кето және энол топтарын өзара түрлендіру Фенилпируват таутомеразасы, Оксалоацетат таутомеразасы ЕК 5.3.3 C=C қос байланыстарды ауыстыру Стереоид дельта изомеразасы, L-допахром изомеразасы ЕК 5.3.4 S-S байланыстарды ауыстыру Протеин дисульфид изомеразасы ЕК 5.3.99 Басқа интрамолекулалық оксидоредуктазалар Простагландин D синтетазасы, Аллен оксид циклазасы

Молекулалық трансферазалар

Бұл санатқа (EC 5.4) ішмолекулалық трансферзалар (мутазалар) кіреді. Бұл изомеразалар молекуланың бір бөлігінен екінші бөлігіне функционалдық топтардың ауысуын катализдейді. Бұл кіші сыныпты ферменттердің ауыстыратын функционалдық тобына қарай бөлуге болады:

+ Ішмолекулалық трансферзалар: ЕО нөмірі Сипаттама Мысалдар ЕО 5.4.1 Ацил топтарын ауыстыратын лизолецитин ацилмутазасы, прекоррин 8X метилмутазасы ЕО 5.4.2 Фосфотрансферазалар (фосфомутазалар) Фосфоглюкомутаза, фосфопентомутаза ЕО 5.4.3 Амин топтарын ауыстыратын бета-лизин 5,6 аминмутазасы, тирозин 2,3 аминмутазасы ЕО 5.4.4 Гидрокси топтарын ауыстыратын (гидроксиамин)бензол мутазасы, изохоризмат синтетазасы ЕО 5.4.99 Басқа топтарды ауыстыратын метиласпартат мутазасы, хоризмат мутазасы.

Молекулалық лиаздар

Бұл санатқа (EC 5.5) ішкі молекулалық лиаздар кіреді. Бұл ферменттер "молекуланың бір бөлігінен топты бөліп шығарып, қос байланыс қалдырып, сонымен бірге молекулаға ковалентті байланыс арқылы тіркелгендей" реакцияларды катализдейді.

Эпимеризация

Эпимеризацияның мысалы Кальвин циклында кездеседі, онда D-рибулоза-5-фосфаты рибулозафосфат-3-эпимераза ферменті арқылы D-ксилулоза-5-фосфатына айналады. Субстрат пен өнім тізбектегі үшінші көміртегінің стереохимиясымен ғана ерекшеленеді. Негізгі механизм осы үшінші көміртектің реактивті энолят аралық түрін құру үшін депротондалуын қамтиды. Ферменттің белсенді орында екі Asp қалдығы бар. Субстрат ферментке байланысқаннан кейін, бірінші Asp молекуланың бір жағынан үшінші көміртекті депротондастырады. Бұл жазық sp2 гибридтелген аралық тудырады. Екінші Asp белсенді орынның қарама-қарсы жағында орналасқан және ол молекуланы протондау арқылы, тиімді түрде артқы жағынан протон қосады. Бұл байланысқан қадамдар үшінші көміртегінің стереохимиясын өзгертеді.

Молекулалық ішкі трансфер

Хоризмат мутазасы - ішмолекулалық трансфераза, ол хоризматты префенатқа айналдыруды катализдейді, кейбір өсімдіктер мен бактерияларда L тирозин және L фенилаланиннің прекурсоры ретінде пайдаланылады. Бұл реакция Клайзеннің қайта құрылуы болып табылады, ол изомеразаның қатысуымен немесе қатысусыз жүруі мүмкін, бірақ хоризмат мутазаның болуында жылдамдығы 106 есеге артады. Реакция субстраты транс-диаксиалды жағдайда болатын "кресло" тәрізді ауысу күйі арқылы өтеді. Эксперименттік деректер изомеразаның "кресло" тәрізді ауысу күйін таңдамалы түрде байланыстыратынын көрсетеді, бірақ катализдің нақты механизмі белгісіз. Бұл байланыс электростатикалық әсерлер арқылы ауысу күйін тұрақтандырады деп саналады, бұл мутазаның болуында немесе белсенді орынға арнайы орналастырылған катион қосылғанда реакция жылдамдығының күрт өсуін түсіндіреді.

Молекулалық ішкі тотықтандыру редукциясы

Изопентенилдифосфат дельта изомераза I типті (сонымен қатар IPP изомераза деп те аталады) холестерин синтезінде кездеседі және изопентенилдифосфатты (IPP) диметилаллилдифосфатқа (DMAPP) түрлендіруді катализдейді. Бұл изомеризациялық реакцияда тұрақты көміртек-көміртек қос байланысы қайта орналасып, жоғары электрофилді аллилді изомер түзеді. IPP изомераза бұл реакцияны бір протонның стереоселективті антарфациалық транпозициясы арқылы катализдейді. Қос байланыс C4 атомында протондалып, C3 атомында үшіншілік карбокатиондық аралық затты құрайды. Іргелес орналасқан C2 атомы қарама-қарсы жақтан депротонды болып, қос байланыс пайда болады. Нәтижесінде, қос байланыс орны ауысады.

Изомеразаның адам ауруларындағы рөлі

Изомераза адам ауруларында маңызды рөл атқарады. Осы ферменттің жетіспеушілігі адамдарда ауруларға себеп болуы мүмкін.

Фосфогезозоизомеразаның жетіспеушілігі

Фосфогекзозоизомеразаның жетіспеушілігі (ФИЖ) – фосфоглюкозаизомеразаның жетіспеушілігі немесе глюкоза-6-фосфат изомеразасының жетіспеушілігі деп те аталады және ол тұқым қуалайтын ферменттік жетіспеушілік болып табылады. ФИЖ – пируваткиназа жетіспеушілігінен кейін гликолиздегі екінші ең көп кездесетін эртроэнзиопатия және әр түрлі ауырлық деңгейіндегі сфероцит емес гемолиттік анемиямен байланысты. ФИЖ – фруктоза-6-фосфаты мен глюкоза-6-фосфатының өзара қайтымды түрленуін катализдейтін димерлі ферменттің нәтижесі.

Триофосфат изомеразаның жетіспеушілігі

Триозофосфат изомеразаның жетіспеушілігі (ТФИ) деп аталатын ауру – гликолиттік метаболизмнің аутосомдық рецессивті мұрагерлік көп жүйелі бұзылысы. Ол гемолитикалық анемия және нейродегенерациямен сипатталады және анаэробтық метаболиттік дисфункцияға байланысты туындайды. Бұл дисфункция кодталған TPI ақуызына әсер ететін қате мутация нәтижесінде пайда болады. Ең көп кездесетін мутация – ең ауыр фенотипті тудыратын Glu104Asp генінің алмасуы, және клиникалық ТФИ жетіспеушілігінің шамамен 80% жағдайы үшін жауапты. Бұл туа біткен ауру, көбінесе гемолитикалық анемиямен және сарқырамамен (жұмбақпен) көрінеді. ТФИ-мен ауырған адамдарда 6–24 айлық шамасында айқын симптомдар пайда болады. Бұл симптомдарға дистония, тремор, дискинезия, пирамидалық жол белгілері, кардиомиопатия және жұлындық моторлық нейрондардың зардап шегуі жатады. ТФИ-ді емдеу үшін, ауыр анемия жағдайында қызыл қан шашу (трансфузия) сияқты қолдау шараларын қолдануға болады. Кейбір жағдайларда көкбауырды алып тастау (спленэктомия) анемияны жақсартуға көмектеседі. Аурудың прогрессивті неврологиялық зақымдануын және басқа гематологиялық емес клиникалық көріністерін болдырмайтын ем жоқ.

Өнеркәсіптік қолдану

Қант өндірісінде изомеразалардың ең көп қолданылатын түрі. Глюкоза изомеразасы (ксилоза изомеразасы деп те аталады) D ксилоза мен D глюкозаның D ксилулоза мен D фруктозаға айналуын катализдейді. Басқа көптеген қант изомеразалары сияқты, глюкоза изомеразасы альдозалар мен кетозалардың бір-біріне өтуіне катализатор болып табылады. Глюкозаның фруктозаға айналуы – жоғары фруктозалы жүгері сиробын өндірудің маңызды бөлігі. Изомерлеу, фруктоза өндірудің бұрынғы химиялық әдістерінен гөрі артықшылықты, себебі оның нәтижесінде фруктозаның жоғары шығымы және қосалқы өнімдердің пайда болмауы қамтамасыз етіледі. ), салыстырмалы түрде төмен құны және кристалдану қабілетінің болмауы. Фруктоза сондай-ақ диабетпен ауыратын адамдар үшін тәттілендіргіш ретінде қолданылады. Фермент ең жоғары белсенділікке Co2+ және Mg2+ сияқты еківалентті катиондарды қажет етеді, бұл өндірушілерге қосымша шығын әкеледі. Глюкоза изомеразасы глюкозаға қарағанда ксилозаға айқын жоғары бейімділікке ие, сондықтан мұқият бақыланатын орта қажет. Глюкоза изомеразасын қолдану ксилозаны ксилулозаға өте тиімді түрлендіреді, одан кейін оны ашытушы ашытқымен өңдеуге болады. Жалпы, генетикалық инженерия саласында глюкоза изомеразасын оңтайландыру және оны қайта пайдалану үшін өнеркәсіптік қолданыстан қайта алу мақсатында кең ауқымды зерттеулер жүргізілді. Глюкоза изомеразасы D рибоза, D аллоза және L арабиноза сияқты басқа да қанттардың изомеризациясын катализдей алады. Ең тиімді субстраттар – глюкоза мен ксилозаға ұқсас, үшінші және төртінші көміртектерінде экваторлық гидроксил топтары бар заттар. Глюкоза изомеразасының әрекет ету механизміне қазіргі модель – рентгендік кристаллография және изотоп алмасу зерттеулеріне негізделген гидридтік орын ауыстыру. Мысалы, тиоредоксин домені бар изомеразалар және кейбір пролил изомеразалары.