Izomeraza

Izomeraze  su opća klasa enzima, koki pretvaraju mulekulu jednog izomera u drugi. Izomeraze mogu olakšati unutrašnja preuređivanja, u kojima se kidaju formirane  veze  ili mogu katalizirati konformacijske  promjene. Opći oblik takve reakcije je kako slijedi:

A–B → B–A.

Za njih postoji samo jedan supstrat koji daje jedan proizvod. Ovaj proizvod ima isti molekulsku formulu kao podloga, ali se razlikuje u podešavanju  veza ili  prostornom aranžmanu. Izomeraze kataliziraju mnogih  važnih bioloških procesa, kao što su  glikoliza i metabolizam ugljikohidrata.Kornberg A. (1989): For the love of enzymes – The Odyssay of a biochemist. Harvard University Press, Cambridge (Mass.), London,, .Hunter G. K. (2000): Vital Forces. The discovery of the molecular basis of life. Academic Press, London 2000, .Nelson D. L., Cox M. M. (2013): Lehninger Principles of Biochemistry. W. H. Freeman and Co., .Bajrović K., Čaušević-Jevrić A., Hadžiselimović R., Eds (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, .Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, .
Izomerizacija

Izomeraze kataliziraju promjene unutar  jedne  moleKule.  One pretvaraju  jedan izomer u drugi, što znači da krajnji proizvod ima istu molekulsku  formulu ali različitu fizičku strukturu. Izomeri postoje u mnogim varijantama, ali se generalno mogu svrstati kao strukturni izomeri ili stereoizomeri. Strukturni izomeri imaju drugačiji način vezivanja  i / ili različitiu povezljivost  jednih veza sa drugim, kao što je slučaj u heksan ima, sa četiri izomerna oblika (2-metilpentan, 3-metilpentan , 2,2-dimetilbutan, i 2,3-dimetilbutan).

Stereoizomeri  imaju isti raspored pojedinih veza  i ista povezivanja, ali  se ralikuju po trodimenzionalnom  rasporedu  vezanih atoma. Primjerice, 2-buten postoji u dva izomerna oblika: cis-2-buten i trans-2-buten. Pod-kategorije izomeraze sadrže racemaze, epimerize, a  cis-trans izomeri su primjeri enzima koji kataliziraju interkonverziju stereoizomera. Unutarmolekulska  lijaza, oksidoreduktaza i transferaza kataliziraju unutrašnju konverziju strukturnih izomera.McNaught A. D. (1997): Compendium of chemical terminology, 2nd Ed. Blackwell Scientific Publications, Oxford, : http://goldbook.iupac.org.

 Klasifikacija 
Svaki enzim koji katalizira neku reakciju ima jedinstven klasifikacijski broj. Reakcije koje su katalizirane izimerazama imaju sopstveniu EC kategoriju (Enzyme Commission number): EC 5. Izomeraze se dalje dijele u šest sub-klasa:
 EC 5.1 - kataliziraju racemizaciju i epimerizaciju;
 EC 5.2 - kataliziraju geometrijsku izomeraciju (cis-trans);
 EC 5.3 - intermolekularne oksidoreduktaze;
 EC 5.4 - intermolekularne transferaze;
 EC 5.5 - intermolekularne liaze;
 EC 5.99 - ostale izomeraze.

 Racemaze i epimeraze 
Kategorija (EC 5.1) uključuje racemaze i epimeraze. Ove izomeraze invertiraju stehiometrijsku metu u hiralnom ugljiku. Za stereohemijsku inverziju racemaze djeluju na molekula s jednim hiralnim ugljikom, a ciljna molekula epimeraza je s više hiralnih ugljika i djeluje na  jedan od njih. Molekula sa samo jednim hiralnim ugljikom ima dva enantiomerna oblika, kao što serinski  imaju izoforme D-serin i L-serin, koji se  razlikuju samo u apsolutnoj konfiguraciji hiralnog  ugljika. Neka molekula s više hiralnih ugljika ima dva oblika u svakom od  hiralnih ugljika. Izomerizacije na jednom hiralnom  ugljiku od nekoliko prinosa epimere, koje se razlikuju jedna od druge u apsolutnom konfiguraciji na samo jedan kiralnih ugljik. Naprimjer, D-glukoza i D- manoza se razlikuju u konfiguraciji na samo jednom hiralnom ugljiku. Ova klasa se dalje dijeli na grupe enzima koji djeluju prema slijedećem pregledu.

 EC BrojSupstance na koje djeluju Primjeri EC 5.1.1 Aminokiseline i njihovi derivati  Alanin racemaza, Metionin racemaza EC 5.1.2 Laktat racemaza, Tartrat epimeraza EC 5.1.3 Ugljikohidrati i njihovi derivati Ribulza-fosfat 3-epimeraza, UDP-glukoza 4-epimeraza EC 5.1.99 Ostala jedinjenja   Metilmalonil CoA epimeraza, Hidancijska racemaza

Cis-trans izomeraze
Ova  kategorija (EC 5.2) uključuje  enzime koji kataliziraju izomerizaciju  cis-trans izomera. Alkeni  i  cikloalkani mogu imati cis-trans stereoizomere.  Njih ne izdvaja  apsolutna konfiguracija već i položaj srodne supstitucijske  grupe u odnosu ravan reference, preko dvostruke veze ili u odnosu na strukturu prstena. Cis izomeri imaju supstituent na istoj strani, a  trans izomeri imaju grupe na suprotnim stranama.

Ova kategorija se dalje ne dijeli na niže subkategorije.  Ova kategorija uključuje:
 EC Broj Primjeri EC 5.2.1.1  Maleat izomeraza EC 5.2.1.2  Maleilacetoacetat izomeraza EC 5.2.1.4  Maleilpiruvat izomeraza EC 5.2.1.5  Linoleat izomeraza EC 5.2.1.6  Furilfuramid izomeraza EC 5.2.1.8  Peptidilprolil izomeraza A EC 5.2.1.9  Farnezol 2-izomeraza EC 5.2.1.10  2-hloro-4-carboksimetilenbut-2-en-1,4-olid izomeraza EC 5.2.1.12  Zeta-karoten izomeraza EC 5.2.1.13  Prolikopen izomeraza EC 5.2.1.14  Beta-karoten izomeraza

Unutarmolekulske oksidoreduktaze 
Ova kategorija (EC 5.3) uključuje intramolekulske oksidoreduktaze. Ove izomeraze kataliziraju prijenos elektrona  iz jednog dijela molekule na drugi. Drugim riječima, oni katalizirati oksidaciju j ednog dijela molekule i istovremenu redukciju drugog dijela.NC-IUBMB; Edwin C. (1992): Enzyme nomenclature 1992 : recommendations of the Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology on the nomenclature and classification of enzymes, 6th Ed. Published for the International Union of Biochemistry and Molecular Biology by Academic Press, San Diego, . 
Pod-kategorije ove klase su:
 EC Broj  Supstanca na koju djeluje Primjeri EC 5.3.1  Interkonvertirajuće aldoze i ketoze  Trioza-fosfat izomeraza, Riboza-5-fosfat izomeraza   EC 5.3.2  Interkonvertirajuće  keto- i enol-grupe Fenilpiruvat tautomeraza, Oksaloacetat tautomeraza  EC 5.3.3  Premještanje C=C dvostrukih veza Steroid delta-izomeraza, L-dopahrom izomeraza EC 5.3.4  Premještanje  S-S veza  Protein disulfid-izomeraza  EC 5.3.99  Ostale unutarmolekulske oksidoreduktaze  Prostaglandin-D sintaza, Alen-oksid ciklaza

Unutarmolekulske transferaze 
Ova kategorija  (EC 5.4) uključuje  intramolekulske  transferaze (mutaze). Kataliziraju  transfer  funkcijskih grupa iz jednog dijela molekule drugi. Fosfotransferaze  (EC 5.4.2) su do 1983. bile kategorizirane kao transferaze (EC 2.7.5) sa regeneracijom donora.Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology (NC-IUBMB) (2010): The enzyme list Class 5 – Isomerases: http://www.enzyme-database.org/downloads/ec5.pdf. Ova sub-klasa se može podijeliti prema funkcijskoj grupi enzimskog transfera:

 EC Broj  Supstanca na koju djeluje Primjeri EC 5.4.1  Transfer acil grupa Lizolecitin acilmutaza, Prekorin-8X metilmutaza  EC 5.4.2  Fosfotransferaze (Fosfomutaze)  Fosfoglukomutaza, Fosfopentomutaza EC 5.4.3  Transfer amino grupa Beta-lizin 5,6-aminomutaza, Tirozin 2,3-aminomutaza  EC 5.4.4  Transfer hidroksigroupe  (hidroksiamino)benzen mutaza, Izohorizmat sintaza  EC 5.4.99  Transfer ostalih grupa  Metilaspartat mutaza, Horizmat mutaza

Unutarmolekulske lijaze 
Ova kategorija (EC 5.5) uključuje intramolekulske  lijaze.  Ovi enzimi kataliziraju "reakcije u kojoj  grupa  koja se može smatrati eliminiranom iz jednog dijela molekule, ostavljajući dvostruku vezu, dok je preostala kovalentna pridodata molekuli“.  Neke od tih katalitskih  reakcija uključuju razgradnju  strukture prstena.
Ova kategorija se ne dijeli na niže razine, a uključuje:
 EC Broj  Primjeri EC 5.5.1.1  Mukonat cikloizomeraza EC 5.5.1.2  3-karboksi-cis,cis-mukonat cikloizomeraza EC 5.5.1.3  Tetrahidroksipteridin cikloizomeraza EC 5.5.1.4  Inozitol-3-fosfat sintaza EC 5.5.1.5  Karboksi-cis,cis-mukonat ciklaza EC 5.5.1.6  Halkon izomeraza EC 5.5.1.7  Hloromukonat cikloizomeraza EC 5.5.1.8  (+)-bornil difosfat sintaza EC 5.5.1.9  Cikloeukalenol cikloisomeraza EC 5.5.1.10  Alfa-pinen-oksid deciklaza EC 5.5.1.11  Dihloromukonat cikloizomeraza EC 5.5.1.12  Kopalil difosfat sintaza EC 5.5.1.13  Ent-kopalil difosfat sintaza EC 5.5.1.14  Sin-kopalil-difosfat sintaza EC 5.5.1.15  Terpentedienil-difosfat sintaza EC 5.5.1.16  Halimadienil-difosfat sintaza EC 5.5.1.17  (S)-beta-makrokarpen sintaza EC 5.5.1.18  Likopen epsilon-ciklaza EC 5.5.1.19  Likopen beta-ciklaza EC 5.5.1.20  Prozolanapirone-III cikloizomeraza EC 5.5.1.n1  D-riboza piranaza

Unutarmolekulske oksidoreduktaze 
Ova kategorija (EC 5.3) uključuje intramolekulske oksidoreduktaze. Ove izomeraze kataliziraju prijenos elektrona  iz jednog dijela molekule na drugi. Drugim riječima, oni katalizirati oksidaciju j ednog dijela molekule i istovremenu redukciju drugog dijela. 
Pod-kategorije ove klase su:

 EC Broj  Reakcija i/ili grupa  na koju djeluje Primjeri EC 5.3.1  Interkonvertirajuće aldoze i ketoze  Trioza-fosfat izomeraza, Riboza-5-fosfat izomeraza   EC 5.3.2  Interkonvertirajuće  keto- i enol-grupe Fenilpiruvat tautomeraza, Oksaloacetat tautomeraza  EC 5.3.3  Premještanje C=C dvostrukih veza Steroid delta-izomeraza, L-dopahrom izomeraza EC 5.3.4  Premještanje  S-S veza  Protein disulfid-izomeraza  EC 5.3.99  Ostale unutarmolekulske oksidoreduktaze  Prostaglandin-D sintaza, Alen-oksid ciklaza

Unutarmolekulske transferaze 
Ova kategorija  (EC 5.4) uključuje  intramolekulske  transferaze (mutaze). Kataliziraju  transfer  funkcijskih grupa iz jednog dijela molekule drugi. Fosfotransferaze  (EC 5.4.2) su do 1983. bile kategorizirane kao transferaze (EC 2.7.5) sa regeneracijom donora. Ova sub-klasa se može podijeliti prema funkcijskoj grupi enzimskog transfera:


 EC Broj Reakcija na koju djeluje Primjeri EC 5.4.1  Transfer acil grupa Lizolecitin acilmutaza, Prekorin-8X metilmutaza  EC 5.4.2  Fosfotransferaze (Fosfomutaze)  Fosfoglukomutaza, Fosfopentomutaza EC 5.4.3  Transfer amino grupa Beta-lizin 5,6-aminomutaza, Tirozin 2,3-aminomutaza  EC 5.4.4  Transfer hidroksigroupe (hidroksiamino)benzen mutaza, Izohorizmat sintaza EC 5.4.99Transfer ostalih grupaMetilaspartat mutaza, Horizmat mutaza

Unutarmolekulske lijaze 
Ova kategorija (EC 5.5) uključuje intramolekulske  lijaze.  Ovi enzimi kataliziraju "reakcije u kojoj  grupa  koja se može smatrati eliminiranom iz jednog dijela molekule, ostavljajući dvostruku vezu, dok je preostala kovalentna pridodata molekuli“.  Neke od tih katalitskih  reakcija uključuju razgradnju  strukture prstena.
Ova kategorija se ne dijeli na niže razine, a uključuje:
 EC broj  Primjeri EC 5.5.1.1  Mukonat cikloizomeraza EC 5.5.1.2  3-karboksi-cis,cis-mukonat cikloizomeraza EC 5.5.1.3  Tetrahidroksipteridin cikloizomeraza EC 5.5.1.4  Inozitol-3-fosfat sintaza EC 5.5.1.5  Karboksi-cis,cis-mukonat ciklaza EC 5.5.1.6  Halkon izomeraza EC 5.5.1.7  Hloromukonat cikloizomeraza EC 5.5.1.8  (+)-bornil difosfat sintaza EC 5.5.1.9  Cikloeukalenol cikloisomeraza EC 5.5.1.10  Alfa-pinen-oksid deciklaza EC 5.5.1.11  Dihloromukonat cikloizomeraza EC 5.5.1.12  Kopalil difosfat sintaza EC 5.5.1.13  Ent-kopalil difosfat sintaza EC 5.5.1.14  Sin-kopalil-difosfat sintaza EC 5.5.1.15  Terpentedienil-difosfat sintaza EC 5.5.1.16  Halimadienil-difosfat sintaza EC 5.5.1.17  (S)-beta-makrokarpen sintaza EC 5.5.1.18  Likopen epsilon-ciklaza EC 5.5.1.19  Likopen beta-ciklaza EC 5.5.1.20  Prozolanapirone-III cikloizomeraza EC 5.5.1.n1  D-riboza piranaza

Ligaze
Kategoriji EC 6 pripadaju liigaze, koje povezuju  dvije molekule putem  kovalentne veze. Njima je potrebna energija, koja dolazi iz nukleozid trifosfata (NTP).  Druge molekule kao što su NAD+ mogu poslužiti kao dobavljači. Od njih se može regenerirati između ostalog i  potrošena ATP.

U EC sistemu klasifikacije , ligaze su brojevima pod EC | 6 ..-.--. Druga oznaka precizno definira prirodu veze:
 EC broj  Kataliza veze EC -.-.6.1  Veza ugljik - kisik EC 6.2.-.-  Veza ugljik - sumpor EC 6.3.-.-  Veza ugljik - dušik EC -.-.6.4  Veza dva atoma ugljika EC 6.5.-.-  Formiranje fosfor ester karboksi-cis,cis-mukonat ciklaze EC -.-6.6.  Formiranje veza dušik - metal

Primeri:
 Piruvat karboksilaza
 Aminoacil-tRNA sintetaza

Industrijska primjena
Daleko najčešći  način korištenja izomeraze u industrijskim aplikacijama je u proizvodnji šećera. Glukoizomeraza  (poznata i  kao ksiloza izomeraza) katalizira konverziju D - ksiloze i D - glukoze u  D - ksilulozu i D - fruktozu. Kao i većina šećernih izomeraza, glukoizomeraza katalizira međukonverziju u aldozama i ketozama.

Pretvaranje glukoze u fruktoze je ključna komponenta u proizvodnji visoko fruktoznog kukuruznog sirupa. Izomerizacija je konkretnija od starijih hemijskih metoda proizvodnje fruktoze, što je rezultiralo većim prinosom fruktoze, bez nusproizvoda.  Fruktoza koja je proizvedena ovom izomerizacijskom  reakcijom je čistija i  bez ostatka  okusa od zagađivača. Visoko fruktozni kukuruzni sirup se preferira u proizvodnji   bombona  i gaziranih napitaka,  zbog visoke moći zaslađivanja fruktozom (dva puta veća od saharoze),  relativno niske cijene i nemogućnosti kristalizacije. Fruktoza se također koristi kao zaslađivač za  oboljele od dijabetesa. Glavna pitanja korištenja glukoizomeraze uključiti njenu inaktivaciju na višim temperaturama i potrebu za visokom pH (između 7,0 i 9,0) u okruženju reakcije. Umjereno visoke temperature, iznad 70 °C, mogu povećati prinos fruktoze za najmanje pola izomerizacijog puta.Baker S. A. (1976): Pure fructose syrups. Process Biochemistry, 11: 20–25.

Za vrhunac aktivnosti, enzim zahtijeva divalentni ion kalcija,  kao što su Co2+ i Mg2+, što je dodatni trošak za proizvođače. Glukoizomeraza  također ima mnogo veći afinitet za ksilozu nego za glukozu, što zahtijeva pažljivo kontrolirane  uvjete.Antrim R. L., Colilla W., Schnyder B. J. (1979): Glucose isomerase production of high fructose syrups. Applied Biochemistry and Bioengineering, 2: 97–155. 
Izomerizacija  ksiloze u ksilulozu ima komercijalnu primjenu u proizvodnji   biogoriva, što je povećalo interesovanje za ovaj provces.  Ova reakcija se često vidi prirodno kod  detritivornih  bakterija koje se hrane raspadajućim  biljnim ostacima (detritusom). Njegova najčešća upotreba je u industrijskoj proizvodnji etanola, da bi se ostvarila  fermentacija  ksiluloze.

Upotreba hemiceluloze kao izvornog materijala je vrlo česta. Hemiceluloza sadrži ksilan, koji  se i sam sastoji od ksiloze sa  β (1,4) vezama.  Upotreba glukoizomeraze je vrlo efikasna za pretvaranje  ksiloze u ksilulozu, koja se onda može izložiti  fermentaciji pomoću  kvasaca. Sve u svemu, opsežna istraživanja u oblasti genetićkog inženjerstva  je uložila u optimizaciju glukoizomeraze i olakšavanje njenog oporavka od industrijskih aplikacija za ponovnu upotrebu.Wang P. Y., Shopsis C., Scheider H. (1980): Fermentation of a pentose by yeasts|journal. Biochemical and Biophysical Research Communications, 94 (1): 248–254|pmid=6446306|doi=10.1016/s0006-291x(80)80213-0.
Glukoizomeraza  je u stanju da katalizira izomerizaciju niza drugih šećera, uključujući i D -ribozu, D-alozu i L - arabinozu. Najefikasnije  podloge su one slične glukozi  i ksilozi, koje imaju cikloheksansku konformaciju hidroksilne grupe na trećem i četvrtom ugljiku. Sadašnji model za mehanizam glukoizomerizacije je da se od sigmatropska reakcija  reakcija, zasnovan na kristalografiji X-zracima i izotopima.

Također pogledajte

Enzim
Kataliza

Reference

 Vanjski linkovi 
 EC 5 Introduction 

Kategorija:Izomeraze