Malli *Escherichia coli* -bakteerin fumaraasin rakenteesta sitoutuneena omenahappoon
**Fumaraasi** eli **fumaraattihydrataasi** on entsyymi, joka katalysoi fumaarihapon reversiibeliä hydratoitumista omenahapoksi. Entsyymi on osa sitruunahappokiertoa ja sitä esiintyy kaikissa eliöissä. Fumaraasin EC-numero on EC 4.2.1.2.

Rakenne ja toiminta
-------------------

Fumaraasista on kolme isoentsyymiä, jotka voidaan jakaa kolmeen luokkaan ja esimerkiksi *Escherichia coli* -bakteerissa esiintyy kaikkia näihin kolmeen luokkaan kuuluvia fumaraaseja. Luokkaan I kuuluvat fumaraasit esiintyvät eräissä bakteereissa kuten *Escherichia coli* -bakteerissa ja ovat rakenteeltaan dimereejä. Ne ovat rauta-rikkiproteiineja ja herkkiä inaktivoitumaan lämmön vaikutuksesta. Luokkaan II kuuluvat fumaraasit esiintyvät bakteerien lisäksi myös aitotumaisissa eliöissä kuten eläimissä ja kasveissa. Ne ovat rakenteeltaan tetrameerejä. Esimerkiksi ihmisen fumaraasi koostuu 1 784:stä aminohaposta ja sen molekyylimassa on 194 kDa. Luokan II fumaraasit eivät tarvitse rautaa toimiakseen. Usein, kun puhutaan fumaraasista, tarkoitetaan nimenomaan luokkaan II kuuluvia fumaraaseja. Luokan III entsyymejä esiintyy bakteereissa.

Fumaraasin katalysoiman reaktion reaktiomekanismi on suhteellisen huonosti tunnettu. Erityisesti ongelmallinen on fumaarihapon muodostuminen omenahaposta, jossa täytyy eliminoitua protoni, jonka pKA arvo on hyvin korkea, yli 30. Luokan II fumaraasit selviävät tästä ilman koentsyymejä. Sitruunahappokierrossa fumaarihaposta muodostuu omenahappoa. Mekanismin oletetaan olevan seuraavanlainen. Ensimmäisessä vaiheessa fumaraasin aktiivisen keskuksen emäksinen aminohappo ottaa vastaan protonin vesimolekyyliltä, josta muodostuu nukleofiilisempi hydroksidi-ioni. Hydroksidi-ioni reagoi nukleofiilisella additiolla fumaarihapon kaksoissidoksen hiiliatomiin, jolloin muodostuu välituotteena karbanioni. Tätä karbanionia stabiloi viereinen karbonyyliryhmä. Seuraavassa vaiheessa fumaraasientsyymin hapan aminohappo luovuttaa karbanionille protonin. Protoninluovutus tapahtuu stereoselektiivisesti antiadditiolla ja tuotteena muodostuu ainoastaan omenahapon S- eli L-enantiomeeria.

Fumaraasin puutos on harvinainen periytyvä sairaus, joka johtaa fumaarihapon kertymiseen elimistöön. Sairauden oireita ovat pienipäisyys, kuulon ja näön heikko kehittyminen, hengitysvaikeudet ja lihasheikkous. Fumaraasin puutosta sairastavat menehtyvät tyypillisesti pian varhaisen lapsuusiän jälkeen.

Fumaraasin käyttö
-----------------

Fumaraasia voidaan käyttää valmistettaessa bioteknisesti fumaarihaposta S-omenahappoa. Tähän tarkoitukseen käytetään tyypillisimmin *Brevibacterium ammoniagenes* -bakteerista eritettyä fumaraasia. Fumaraasi on substraattiselektiivisyydeltään melko kapea, mutta hyväksyy eräät fumaarihapon johdannaiset kuten kloorifumaarihapon, josta muodostunutta *treo*-klooriomenahappoa on käytetty eräiden luonnonaineiden synteeseissä.

Lähteet
-------

1. 1 2  EC 4.2.1.2 - fumarate hydratase Brenda. Viitattu 30.7.2015. (englanniksi)
2. ↑  Thomas Scott, Mary Eagleson: *Concise encyclopedia chemistry*, s. 433. Walter de Gruyter, 1994. ISBN 978-3110114515. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 30.7.2015). (englanniksi)
3. ↑  Thomas Scott: *Concise encyclopedia biology*, s. 505. Walter de Gruyter, 1996. ISBN 978-3110106619. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 30.7.2015). (englanniksi)
4. 1 2  Perry A. Frey, Robert H. Ables & Adrian D. Hegeman: *Enzymatic reaction mechanisms*, s. 434–436. Oxford University Press, 2007. ISBN 978-0195122589. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 30.7.2015). (englanniksi)
5. 1 2 3  Karlheinz Drauz, Harald Groger & Oliver May: *Enzyme Catalysis in Organic Synthesis*, s. 473–475. John Wiley & Sons, 2012. ISBN 978-3-527-32547-4. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 30.7.2015). (englanniksi)
6. ↑  Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko & Lubert Stryer: *Biochemistry, 6th Edition*, s. 488. W. H. Freeman and Company, 2006. ISBN 978-0-7167-8724-2. (englanniksi)
7. ↑  John McMurry, Tadhg P. Begley: *The organic chemistry of biological pathways*, s. 192. Roberts and Company Publishers, 2005. ISBN 978-0974707716. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 30.7.2015). (englanniksi)
8. ↑  Steve Hannigan: *Inherited Metabolic Diseases*, s. 42. Radcliffe Publishing, 2007. ISBN 978-1846190995. Kirja Googlen teoshaussa (viitattu 30.7.2015). (englanniksi)
9. ↑  Horst Werner Doelle, Armin Fiechter, Stephan Lütz, Günther Schlegel, Sakayu Shimizu, Kerstin Würges & Hideaki Yamada: *Biocatalysis, 1. General, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry*, John Wiley & Sons, New York, 2009. Viitattu 30.7.2015