Изомераза

Изомерази ― класа на ензими кои конвертираат молекула од еден изомер во друг. Изомеразите предизвикуваат интрамолекуларни преуредувања во кои врските се кинат и повторно се формираат. Општата форма на таква реакција е како што следува:

${\displaystyle {\ce {A-B}}\quad {\xrightarrow[{\text{ isomerase }}]{}}\quad {\ce {B-A}}}$

Има само еден супстрат кој што дава еден производ. Овој производ има иста молекуларна формула како супстратот, но се разликува во поврзаноста на врските или просторниот распоред. Изомеразите катализираат реакции низ многу биолошки процеси, како што се гликолизата и метаболизмот на јаглехидратите.

Изомеризација

 

Примери за изомери

Структурни изомери на хексан

Цис-2-бутен и транс-2-бутен

Епимери: D-глукоза and D-маноза

Изомеразите катализираат промени во рамките на еден молекул.^[1] Тие конвертираат еден изомер во друг, што значи дека крајниот производ има иста молекуларна формула, но различна физичка структура. Самите изомери постојат во многу варијанти, но генерално можат да се класифицираат како структурни изомери или стереоизомери. Структурните изомери имаат различен редослед на врски и/или различна поврзаност едни од други, како во случајот со хексан и неговите четири други изомерни форми (2-метилпентан, 3-метилпентан, 2,2-диметилбутан и 2,3-диметилбутан).

Стереоизомерите имаат ист редослед на индивидуални врски и иста поврзаност, но тродимензионалниот распоред на врзаните атоми се разликува. На пример, 2-бутенот постои во две изомерни форми: цис -2-бутен и транс -2-бутен.^[2] Поткатегориите на изомерази што содржат рацемази, епимерази и цис-транс изомери се примери на ензими што катализираат интерконверзија на стереоизомери. Интрамолекуларните лиази, оксидоредуктазите и трансферазите катализираат интерконверзија на структурни изомери.

Номенклатура

Општо земено, „имињата на изомеразите се формираат како „супстратна изомераза“ (на пример, еноил CoA изомераза) или како „супстратен тип на изомераза“ (на пример, фосфоглукомутаза).“ ^[3]

Класификација

Секоја од ензимски катализираните реакции има единствено доделен класификациски број. Реакциите катализирани од изомераза имаат своја EC категорија: EC 5. ^[4] Изомеразите се понатаму класифицирани во шест подкласи:

Рацемази, епимерази

Оваа категорија (EC 5.1) вклучува рацемази и епимерази. Овие изомерази ја инвертираат стереохемијата кај целниот хирален јаглерод. Рацемазите дејствуваат врз молекули со еден хирален јаглерод за инверзија на стереохемијата, додека епимеразите ги таргетираат молекулите со повеќе хирални јаглероди и дејствуваат врз еден од нив. Молекула со само еден хирален јаглерод има две енантиомерни форми, како што е серинот кој има изоформи D-серин и L-серин кои се разликуваат само во апсолутната конфигурација околу хиралниот јаглерод. Молекула со повеќе хирални јаглероди има две форми кај секој хирален јаглерод. Изомеризацијата кај еден хирален јаглерод од неколку дава епимери, кои се разликуваат едни од други во апсолутната конфигурација кај само еден хирален јаглерод.^[2] На пример, D- глукозата и D-манозата се разликуваат во конфигурацијата кај само еден хирален јаглерод. Оваа класа е понатаму поделена според групата врз која дејствува ензимот:

Рацемази и епимерази:

EC број	Опис	Примери
ЕС 5.1.1	Дејствување на аминокиселини и нивни деривати	аланин рацемаза, метионин рацемаза
ЕС 5.1.2	Дејство врз хидрокси киселини и деривати	лактат рацемаза, тартарат епимераза
ЕС 5.1.3	Дејство врз јаглехидратите и нивните деривати	рибулоза-фосфат 3-епимераза, UDP-глукоза 4-епимераза
ЕС 5.1.99	Дејство врз други соединенија	метилмалонил CoA епимераза, хидантоин рацемаза

Цис-транс изомерази

Оваа категорија (EC 5.2) вклучува ензими кои катализираат изомеризација на cis-trans изомери. Алкените и циклоалканите може да имаат cis-trans стереоизомери. Овие изомери не се разликуваат по апсолутна конфигурација, туку по позицијата на супституентните групи во однос на референтната рамнина, како преку двојна врска или во однос на прстенестата структура. Cis изомерите имаат супституентни групи на истата страна, а trans изомерите имаат групи на спротивните страни.^[2]

Конверзијата е посредувана од пептидилпролил изомераза (PPIase).

Цис-транс изомерази:

EC број	Примери
ЕК 5.2.1.1	Малеат изомераза
ЕК 5.2.1.2	Малеил ацетоацетат изомераза
ЕК 5.2.1.4	Малеилпируват изомераза
ЕК 5.2.1.5	Линолеат изомераза
ЕК 5.2.1.6	Фурилфурамид изомераза
ЕК 5.2.1.8	Пептидилпролил изомераза
ЕК 5.2.1.9	Фарнезол 2-изомераза
ЕК 5.2.1.10	2-хлоро-4-карбоксиметиленбут-2-ен-1,4-олид изомераза
ЕК 5.2.1.12	Зета-каротен изомераза
ЕК 5.2.1.13	Проликопен изомераза
ЕК 5.2.1.14	Бета-каротен изомераза

Интрамолекуларни оксидоредуктази

Оваа категорија (EC 5.3) ги вклучува интрамолекуларните оксидоредуктази. Овие изомерази катализираат пренос на електрони од еден дел од молекулата на друг. Со други зборови, тие катализираат оксидација на еден дел од молекулата и истовремена редукција на друг дел.^[4] Поткатегории на оваа класа се:

реакција катализирана од фосфорибозилантранилат изомераза

Интрамолекуларни оксидоредуктази:

EC број	Опис	Примери
ЕК 5.3.1	Интерконвертирачки алдози и кетози	Триоза-фосфат изомераза, рибоза-5-фосфат изомераза
ЕК 5.3.2	Интерконвертирање на кето- и енол-групи	Фенилпируват таутомераза, оксалоацетат таутомераза
ЕК 5.3.3	Транспонирање на C=C двојни врски	Стероид делта-изомераза, L-допахром изомераза
ЕК 5.3.4	Транспонирање на SS обврзници	Протеин дисулфид-изомераза
ЕК 5.3.99	Други интрамолекуларни оксидоредуктази	Простагландин-Д синтаза, Ален-оксид циклаза

Интрамолекуларни трансферази

Оваа категорија (EC 5.4) ги вклучува интрамолекуларните трансферази (мутази). Овие изомерази катализираат пренос на функционални групи од еден дел од молекулата во друг.^[4] Фосфотрансферазите (EC 5.4.2) беа категоризирани како трансферази (EC 2.7.5) со регенерација на донори до 1983 година. ^[5] Оваа подкласа може да се подели според функционалната група што ја пренесува ензимот:

реакција катализирана од фосфоенолпируват мутаза

Интрамолекуларни трансферази:

EC број	Опис	Примери
ЕС 5.4.1	Пренесување на ацилни групи	Лизолецитин ацилмутаза, Прекорин-8X метилмутаза
ЕС 5.4.2	Фосфотрансферази (фосфомутази)	Фосфоглукомутаза, фосфопентомутаза
ЕС 5.4.3	Пренесување на амино групи	Бета-лизин 5,6-аминомутаза, тирозин 2,3-аминомутаза
ЕК 5.4.4	Трансфер на хидрокси групи	(хидроксиамино)бензен мутаза, изохоризмат синтаза
ЕК 5.4.99	Пренесување на други групи	Метиласпартат мутаза, хоризмат мутаза

Интрамолекуларни лиази

Оваа категорија (EC 5.5) ги вклучува интрамолекуларните лиази. Овие ензими катализираат „реакции во кои групата може да се смета за елиминирана од еден дел од молекулата, оставајќи двојна врска, додека останува ковалентно поврзана со молекулата“.^[4] Некои од овие катализирани реакции вклучуваат кршење на прстенестата структура.

Реакција катализирана од ент-копалил дифосфат синтаза

Интрамолекуларни лиази:

EC број	Примери
ЕК 5.5.1.1	Муконат циклоизомераза
ЕК 5.5.1.2	3-карбокси-цис, цис-муконат циклоизомераза
ЕК 5.5.1.3	Тетрахидроксиптеридин циклоизомераза
ЕК 5.5.1.4	Инозитол-3-фосфат синтаза
ЕК 5.5.1.5	Карбокси-цис, цис-муконат циклаза
ЕК 5.5.1.6	Халкон изомераза
ЕК 5.5.1.7	Хлоромуконат циклоизомераза
ЕК 5.5.1.8	(+)-борнил дифосфат синтаза
ЕК 5.5.1.9	Циклоеукаленол циклоизомераза
ЕК 5.5.1.10	Алфа-пинен-оксид дециклаза
ЕК 5.5.1.11	Дихлоромуконат циклоизомераза
ЕК 5.5.1.12	Копалил дифосфат синтаза
ЕК 5.5.1.13	Ент-копалил дифосфат синтаза
ЕК 5.5.1.14	Син-копалил-дифосфат синтаза
ЕК 5.5.1.15	Терпентедиенил-дифосфат синтаза
ЕК 5.5.1.16	Халимадиенил-дифосфат синтаза
ЕК 5.5.1.17	(S)-бета-макрокарпен синтаза
ЕК 5.5.1.18	Ликопен епсилон-циклаза
ЕК 5.5.1.19	Ликопен бета-циклаза
ЕК 5.5.1.20	Просоланапирон-III циклоизомераза
ЕК 5.5.1.n1	Д-рибоза пираназа

Улогата на изомеразата кај човечките болести

Изомеразата игра улога во човечките болести. Недостатокот на овој ензим може да предизвика нарушувања кај луѓето.

Дефицит на фосфохексоза изомераза

Дефицитот на фосфохексоза изомераза (PHI) е познат и како дефицит на фосфоглукоза изомераза или дефицит на глукоза-6-фосфат изомераза и е наследен ензимски дефицит. PHI е втората најчеста ертоензиопатија во гликолизата покрај дефицитот на пируват киназа и е поврзан со несфероцитна хемолитичка анемија со различна тежина.^{[6] [7]} Оваа болест е центрирана на протеинот глукоза-6-фосфат. Овој протеин може да се најде во секрецијата на некои клетки на ракот. ^[8] PHI е резултат на димерен ензим кој катализира реверзибилна интерконверзија на фруктоза-6-фосфат и глуоза-6-фосфат. ^[6]

Недостатокот на фосфохексоза изомераза може да доведе до состојба наречена хемолитичен синдром. Како и кај луѓето, хемолитичкиот синдром, кој се карактеризира со намален број на еритроцити, понизок хематокрит, понизок хемоглобин, поголем број на ретикулоцити и концентрација на билирубин во плазмата, како и зголемени соматски индекси на црниот дроб и слезината, се манифестирал исклучиво кај хомозиготни мутанти.^[7]

Индустриски апликации

Најчестата употреба на изомеразите во индустриските апликации е во производството на шеќер. Глукозната изомераза (исто така позната како ксилоза изомераза) катализира конверзија на D-ксилоза и D- глукоза во D -ксилулоза и D- фруктоза. Како и повеќето шеќерни изомерази, глукозната изомераза катализира интерконверзија на алдози и кетози.^[9]

Изомеризацијата на ксилозата во ксилулоза има свои комерцијални примени бидејќи интересот за биогорива е зголемен. Оваа реакција често се забележува природно кај бактерии кои се хранат со растителни материи. Нејзината најчеста индустриска употреба е во производството на етанол, што се постигнува со ферментација на ксилулоза. Употребата на хемицелулоза како изворен материјал е многу честа. Хемицелулозата содржи ксилан, кој самиот е составен од ксилоза во β(1,4) врски.^[10] Употребата на глукозна изомераза многу ефикасно ја претвора ксилозата во ксилулоза, која потоа може да се ферментира со квасец. Генерално, обемни истражувања во генетскиот инженеринг се вложени во оптимизирање на глукозната изомераза и олеснување на нејзиното обновување од индустриски апликации за повторна употреба.

Изомерази поврзани со мембраната

Некои изомераси се поврзуваат со биолошките мембрани како периферни мембрански протеини или се закотвени преку една трансмембранска спирала,^[11] на пример изомераси со тиоредоксински домен и одредени пролил изомераси.