Изомеразы: ферменты, катализирующие изомеризацию молекул

Введение

Класс ферментов, которые преобразуют молекулу между изомерными формами.

В биохимии изомеразы представляют собой общий класс ферментов, которые преобразуют молекулу из одного изомера в другой. Изомеразы облегчают внутримолекулярные перегруппировки, в ходе которых связи разрываются и образуются. Общая схема такой реакции выглядит следующим образом:

В реакции участвует только один субстрат, который превращается в один продукт. Этот продукт имеет ту же молекулярную формулу, что и субстрат, но отличается связью атомов или пространственным строением. Изомеразы катализируют реакции во многих биологических процессах, таких как гликолиз и метаболизм углеводов.

Изомеризация

Изомеразы катализируют изменения внутри одной молекулы. 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 обычно их можно классифицировать как структурные изомеры или стереоизомеры. Структурные изомеры имеют различный порядок связей и/или различную связность связей друг с другом, как в случае гексана и его четырех других изомерных форм (2-метилпентана, 3-метилпентана, 2,2-диметилбутана и 2,3-диметилбутана). 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. Подкатегории изомераз, включающие рацемазы, эпимеразы и цис-транс изомеры, являются примерами ферментов, катализирующих межконверсию стереоизомеров. Внутримолекулярные лиазы, оксидоредуктазы и трансферазы катализируют межконверсию структурных изомеров. Распространенность каждого изомера в природе частично зависит от энергии изомеризации – разницы в энергии между изомерами. Изомеры, близкие по энергии, могут легко конвертироваться между собой и часто встречаются в сопоставимых пропорциях. Энергия изомеризации, например, для преобразования из 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 обычно присутствует в большем количестве, чем транс-изомер. Изомеразы могут увеличить скорость реакции, снижая энергию изомеризации. Расчет кинетики изомеразы на основе экспериментальных данных может быть более сложным, чем для других ферментов, поскольку использование экспериментов с ингибированием продукта непрактично. Это связано с тем, что изомеризация не является необратимой реакцией, поскольку реакционная смесь содержит один субстрат и один продукт, и поэтому типичная упрощенная модель расчета кинетики реакции неприменима. Существуют также практические трудности в определении лимитирующей стадии скорости при высоких концентрациях в ходе одной изомеризации. Вместо этого, метод трассировочного возмущения может преодолеть эти технические трудности, если существуют две формы несвязанного фермента. Этот метод использует обмен изотопов для косвенного измерения взаимного преобразования свободного фермента между двумя его формами. Радиоактивно меченый субстрат и продукт диффундируют во времени. Когда система достигает равновесия, добавление немеченого субстрата нарушает это равновесие. По мере установления нового равновесия, радиоактивно меченый субстрат и продукт отслеживаются для определения энергетической информации. Первое применение этого метода позволило выяснить кинетику и механизм действия фосфоглюкомутазы, подтвердив модель косвенного переноса фосфата с одним промежуточным звеном и прямого переноса глюкозы. Затем этот метод был адаптирован для изучения профиля пролин-рацемазы и ее двух состояний: формы, которая изомеризирует L-пролин, и формы для D-пролина. При высоких концентрациях было показано, что переходное состояние в этой межконверсии является лимитирующим фактором скорости, и что эти формы фермента могут отличаться лишь протонированием кислотных и основных групп активного центра.

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.

Классификация

Каждая реакция, катализируемая ферментами, имеет уникальный классификационный номер. Реакции, катализируемые изомеразами, имеют свою собственную категорию EC: EC 5. Подкатегории этого класса:

+ Интрамолекулярные оксидоредуктазы: номер EC Описание Примеры EC 5.3.1 Превращение альдоз и кетоз Триозофосфатная изомераза, Рибозо-5-фосфатная изомераза EC 5.3.2 Превращение кето- и енольных групп Фенилпируватная таутомераза, Оксалоацетатная таутомераза EC 5.3.3 Транспонирование C=C двойных связей Стероидная дельта-изомераза, L-допахромная изомераза EC 5.3.4 Транспонирование S-S связей Протеиновая дисульфидная изомераза EC 5.3.99 Другие интрамолекулярные оксидоредуктазы Простагландин-D синтаза, Алленоксидциклаза

Внутримолекулярные трансферазы

Эта категория (EC 5.4) включает внутримолекулярные трансферазы (мутазы). Эти изомеразы катализируют перенос функциональных групп из одной части молекулы в другую. Этот подкласс можно разбить в зависимости от функциональной группы, которую фермент переносит:

+ Внутримолекулярные трансферазы: номер EC Описание Примеры EC 5.4.1 Переносящие ацильные группы Лизолецитин ацилмутаза, Прекоррин-8X метилмутаза EC 5.4.2 Фосфотрансферазы (фосфомутазы) Фосфоглюкомутаза, Фосфопентомутаза EC 5.4.3 Переносящие аминогруппы Бета-лизин 5,6-аминомутаза, Тирозин 2,3-аминомутаза EC 5.4.4 Переносящие гидроксильные группы (гидроксиамино)бензолмутаза, Изохоризматсинтаза EC 5.4.99 Переносящие другие группы Метиласпартатмутаза, Хоризматмутаза

Внутримолекулярные лизы

В эту категорию (EC 5.5) входят внутримолекулярные лиазы. Эти ферменты катализируют реакции, в которых группа может рассматриваться как отщепляющаяся от одной части молекулы с образованием двойной связи, при этом оставаясь ковалентно связанной с молекулой.

Эпимеризация

Пример эпимеризации можно найти в цикле Кальвина, когда D-рибулоза-5-фосфат превращается в D-ксилулоза-5-фосфат под действием рибулозофосфат-3-эпимеразы. Субстрат и продукт различаются только стереохимией в третьем атоме углерода в цепи. Основной механизм включает депротонирование этого третьего атома углерода с образованием реакционноспособного енолят-аниона. Активный центр фермента содержит два остатка аспарагиновой кислоты. После связывания субстрата с ферментом, первый остаток аспарагиновой кислоты депротонирует третий атом углерода с одной стороны молекулы. Это приводит к образованию плоского sp2-гибридизированного промежуточного соединения. Второй остаток аспарагиновой кислоты расположен на противоположной стороне активного центра и протонирует молекулу, эффективно присоединяя протон с обратной стороны. Эти последовательные стадии приводят к инверсии стереохимии в третьем атоме углерода.

Внутримолекулярная передача

Хоризматмутаза является внутримолекулярной трансферазой и катализирует превращение хоризмата в префенат, который используется в качестве предшественника L-тирозина и L-фенилаланина в некоторых растениях и бактериях. Эта реакция представляет собой перегруппировку Клайзена, которая может протекать как с изомеразой, так и без нее, хотя скорость реакции увеличивается в 10⁶ раз в присутствии хоризматмутазы. Реакция протекает через переходное состояние в форме кресла, при котором субстрат находится в транс-диаксиальном положении. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что изомераза селективно связывает переходное состояние в форме кресла, однако точный механизм катализа остается неизвестным. Предполагается, что такое связывание стабилизирует переходное состояние посредством электростатических взаимодействий, что объясняет значительное увеличение скорости реакции в присутствии мутазы или при добавлении специально расположенного катиона в активный центр.

Внутримолекулярная окислительная редукция

Изопентенилдифосфат дельта-изомераза типа I (также известная как ИПП-изомераза) участвует в синтезе холестерина и, в частности, катализирует превращение изопентенилдифосфата (ИПП) в диметилаллилдифосфат (ДМАПП). В этой реакции изомеризации стабильная углерод-углеродная двойная связь перестраивается, образуя высокоэлектрофильный аллильный изомер. ИПП-изомераза катализирует эту реакцию стереоселективной антарфациальной транспозицией единственного протона. Двойная связь протонируется в положении C4, формируя третичный карбокатионный интермедиат в положении C3. Соседний атом углерода, C2, депротонируется с противоположной стороны, что приводит к образованию двойной связи. По сути, двойная связь сдвигается.

Роль изомеразы в заболеваниях человека

Изомераза играет роль в развитии заболеваний человека. Дефицит этого фермента может приводить к расстройствам у людей.

Дефицит фосфогезозоизомеразы

Дефицит фосфогекзоизомеразы (PHI) также известен как дефицит фосфоглюкозоизомеразы или дефицит глюкозо-6-фосфатизомеразы и является наследственным дефицитом фермента. PHI – вторая по частоте эртроэнзиопатия при гликолизе после дефицита пируваткиназы, связанная с не сфероцитарной гемолитической анемией различной степени тяжести. PHI обусловлен димерным ферментом, который катализирует обратимое превращение фруктозо-6-фосфата в глюкозо-6-фосфат.

Дефицит триофосфат-изомеразы

Болезнь, известная как дефицит триозофосфат-изомеразы (ТПИ), является тяжелым аутосомно-рецессивным наследственным мультисистемным расстройством гликолитического метаболизма. Она характеризуется гемолитической анемией и нейродегенерацией и вызвана нарушением анаэробного метаболизма. Это нарушение обусловлено миссенс-мутацией, влияющей на кодируемый белок TPI. Наиболее распространенной мутацией является замена Glu104Asp, которая приводит к наиболее тяжелому фенотипу и ответственна примерно за 80% случаев клинического дефицита TPI. Это врожденное заболевание, которое чаще всего проявляется гемолитической анемией и желтухой. У людей с ТПИ отчетливые симптомы появляются в возрасте 6–24 месяцев. Эти симптомы включают: дистонию, тремор, дискинезию, признаки поражения пирамидного тракта, кардиомиопатию и вовлечение спинномоторных нейронов. Для лечения ТПИ могут применяться поддерживающие меры, такие как переливание эритроцитов при тяжелой анемии. В некоторых случаях удаление селезенки (спленэктомия) может улучшить состояние при анемии. Лечения, предотвращающего прогрессирующее неврологическое ухудшение или другие негематологические клинические проявления заболевания, не существует.

Промышленные применения

Наиболее распространенным применением изомераз в промышленности является производство сахара. Глюкоза изомераза (также известная как ксилоза изомераза) катализирует превращение D-ксилозы и D-глюкозы в D-ксилулозу и D-фруктозу. Как и большинство изомераз сахаров, глюкоза изомераза катализирует взаимопревращение альдоз и кетоз. Превращение глюкозы во фруктозу является ключевым компонентом производства кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы. Изомеризация более специфична, чем старые химические методы производства фруктозы, что обеспечивает более высокий выход фруктозы и отсутствие побочных продуктов. Фруктоза также используется в качестве подсластителя для людей, больных диабетом, благодаря ее относительно низкой стоимости и неспособности к кристаллизации. Для достижения максимальной активности ферменту требуются двувалентные катионы, такие как Co2+ и Mg2+, что является дополнительной статьей расходов для производителей. Глюкоза изомераза также проявляет гораздо большее сродство к ксилозе, чем к глюкозе, что требует поддержания тщательно контролируемых условий. Использование глюкоза изомеразы эффективно превращает ксилозу в ксилулозу, которая затем может быть использована ферментирующими дрожжами. В целом, значительные исследования в области генной инженерии были направлены на оптимизацию глюкоза изомеразы и облегчение ее извлечения из промышленных применений для повторного использования. Глюкоза изомераза способна катализировать изомеризацию широкого спектра 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 у третьего и четвертого атомов углерода. Современная модель механизма действия глюкоза изомеразы основана на гидридном сдвиге, подтвержденном данными рентгеновской кристаллографии и исследований обмена изотопов, например, изомераз с доменом тиоредоксина и определенных пролил изомераз.