Ксилозоизомераза - Xylose isomerase

ксилозоизомераза
2glk.png
Тетрамер D-ксилозоизомеразы из Streptomyces rubiginosus PDB 2glk . Один мономер окрашен вторичной структурой, чтобы подчеркнуть архитектуру цилиндра TIM.
Идентификаторы
ЕС нет. 5.3.1.5
№ CAS 9023-82-9
Базы данных
IntEnz Просмотр IntEnz
BRENDA BRENDA запись
ExPASy Просмотр NiceZyme
КЕГГ Запись в KEGG
MetaCyc метаболический путь
ПРИАМ профиль
Структуры PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтология Amigo / QuickGO

В энзимологии , A ксилозоизомераза ( ЕС 5.3.1.5 ) представляет собой фермент , который катализирует взаимопревращение D-ксилозы и D-ксилулозы . Этот фермент принадлежит к семейству изомераз , в частности к тем внутримолекулярным оксидоредуктазам, которые взаимопревращают альдозы и кетозы . Изомераза наблюдалась почти у сотни видов бактерий. Ксилозоизомеразы также обычно называют фруктозоизомеразами из-за их способности взаимно превращать глюкозу и фруктозу. Систематическое название данного фермента класс D-ксилоза альдоз-кетоз-изомераза. Другие широко используемые названия включают D-ксилозоизомеразу, D-ксилозо-кетоизомеразу и D-ксилозо-кетол-изомеразу.

История

Активность D- ксилозоизомеразы впервые была обнаружена Мицухаши и Лампеном в 1953 г. на бактерии Lactobacillus pentosus . Искусственное производство с помощью трансформированной кишечной палочки также оказалось успешным. В 1957 году активность D-ксилозоизомеразы в превращении D-глюкозы в D-фруктозу была отмечена Куи и Маршаллом. В настоящее время известно, что изомеразы обладают широкой субстратной специфичностью. Большинство пентоз и некоторые гексозы являются субстратами для D-ксилозоизомеразы. Некоторые примеры включают: D-рибозу, L-арабинозу, L-рамнозу и D-аллозу.

Превращение глюкозы во фруктозу с помощью ксилозоизомеразы было впервые запатентовано в 1960-х годах, однако этот процесс не был промышленно жизнеспособным, поскольку ферменты были суспендированы в растворе, и переработка фермента была проблематичной. Неподвижная изомераза ксилозы, закрепленная на твердой поверхности, была впервые разработана Таканаши в Японии. Эти разработки были важны для разработки промышленных процессов ферментации, используемых при производстве кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы .

Третичная структура была определена для нескольких изомераз ксилозы из микробов, начиная с середины 1980-х годов ( Streptomyces olivochromogenes в 1988 году, Streptomyces violaceoniger в 1988 году, Streptomyces rubiginosus в 1984 году, Arthrobacter B3728 в 1986 году, Actinoplanes missouriensis в 1992 году и Clostridium thermosulfurogenes в 1990 году).

Функция

Этот фермент участвует в пентозы и глюкуроновой взаимопревращения и фруктозы и маннозы метаболизма. По данным Международного общества редких сахаров, наиболее биодоступными сахарами являются: глюкоза, галактоза, манноза, фруктоза, ксилоза, рибоза и L-арабиноза. Двадцать гексоз и девять пентоз, включая ксилулозу, считались «редкими сахарами». Следовательно, D-ксилозоизомераза используется для производства этих редких сахаров, которые имеют очень важное применение в биологии, несмотря на их низкое содержание.

Характеристика

Ксилозоизомераза, которую можно выделить из красного китайского рисового вина, содержащего бактерии Lactobacillus xylosus . Эта бактерия была ошибочно классифицирована как L. plantarum , которая обычно растет на сахарной L-арабинозе и редко растет на D-ксилозе. Было признано, что L. xylosus отличается своей способностью расти на D-ксилозе. Ксилозоизомераза L. xylosus имеет молекулярную массу около 183000 дальтон. Оптимальный pH для роста L. lactis составляет около 7,5 , однако такие штаммы, как фермент ксилоза L.brevis, предпочитают более щелочную среду. В L. Lactis штамм устойчив в диапазоне рН от 6,5 до 11,0, и L. Brevis фермента, который является менее терпимы к изменениям рН, проявляют активность в диапазоне рН 5.7-7.0. Кей Ю. и Норитака Т. также провели тепловые испытания, и было обнаружено, что изомераза ксилозы является термостойкой примерно до 60 градусов Цельсия.

Активный сайт и механизм

Ксилозоизомераза имеет структуру, основанную на восьми альфа / бета-цилиндрах, которые создают активный центр, содержащий два двухвалентных иона магния. Ферменты ксилозоизомеразы демонстрируют бочкообразную складку ТИМ с активным центром в центре цилиндра и тетрамерную четвертичную структуру . Структуры PDB доступны по ссылкам в информационном окне справа. Белок представляет собой тетрамер, в котором парные цилиндры почти соосны, которые образуют две полости, в которых двухвалентные металлы связаны с одной из двух полостей. Металлы имеют октаэдрическую геометрию. Металлический участок 1 плотно связывает субстрат, в то время как второй металлический участок связывает субстрат слабо. Оба имеют общий кислотный остаток глутаминовой кислоты 216 фермента, который связывает два катиона. Две основные аминокислоты окружают отрицательно заряженные лиганды, чтобы нейтрализовать их. Вторая полость обращена к металлической полости, и обе полости имеют один и тот же путь доступа. Вторая полость является гидрофобной по своей природе и имеет важный остаток гистидина, который активируется остатком аспартата, который связан с ней водородом . Этот остаток гистидина важен для изомеризации глюкозы.

При изомеризации глюкозы гистидин 53 используется, чтобы катализировать перенос протона от O1 к O5; Схема механизма открывания кольца показана ниже. Первый металл, упомянутый ранее, координируется с O3 и O4 и используется для стыковки подложки.

механизм открытия кольца глюкозы

При изомеризации ксилозы кристаллические данные показали, что сахар ксилозы связывается с ферментом в конформации открытой цепи . Металл 1 связывается с O2 и O4, и однажды связанный металл 2 связывается с O1 и O2 в переходном состоянии, и эти взаимодействия вместе с остатком лизина помогают катализировать гидридный сдвиг, необходимый для изомеризации. Переходное состояние состоит из иона карбония высокой энергии, который стабилизируется посредством всех взаимодействий металла с сахарной подложкой.

механизм изомеризации ксилозы

Применение в промышленности

Наиболее широко этот фермент применяется для превращения глюкозы во фруктозу для производства кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы (HFCS). Есть три основных этапа производства HFCS из крахмала:

  • ферментативное расщепление крахмала с помощью α- амилазы . Также известен как сжижение.
  • дальнейшая деградация с использованием глюкоамилазы и фермента разветвления.
  • Производство фруктозы с помощью ксилозоизомеразы

Процесс проводят в биореакторах при температуре 60–65 ° C. Ферменты инактивируются при таких высоких температурах, как эта, и одним из направлений исследований была разработка более термостабильных версий ксилозоизомеразы и других ферментов в процессе. Ферменты обычно иммобилизуют для увеличения производительности; Еще одним направлением исследований было улучшение способов сделать это.

Ксилозоизомераза - это один из ферментов, используемых бактериями в природе для использования целлюлозы в пищу, и еще одним направлением промышленных и академических исследований является разработка версий ксилозоизомеразы, которые могут быть полезны в производстве биотоплива .

Как диетическая добавка

Продукты, содержащие ксилозо-изомеразу, продаются как безрецептурные диетические добавки для борьбы с мальабсорбцией фруктозы , прежде всего в Европе, и под торговыми марками, включая Fructaid , Fructease и Fructosin . Помимо общих опасений по поводу эффективности безрецептурных ферментов, в настоящее время существует очень ограниченное количество исследований, касающихся ксилозо-изомеразы в качестве пищевой добавки, при этом единственное научное исследование указывает на положительное влияние на тошноту и боль в животе, связанную с мальабсорбцией, но ни одного исследования на вздутие живота. .

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Хохстер Р. М., Уотсон Р. В. (1954). «Ферментативная изомеризация D-ксилозы в D-ксилулозу». Arch. Biochem. Биофиз . 48 (1): 120–9. DOI : 10.1016 / 0003-9861 (54) 90313-6 . PMID  13125579 .
  • Slein MW (1955). «Ксилозоизомераза из Pasteurella pestis, штамм А-1122». Варенье. Chem. Soc . 77 (6): 1663–1667. DOI : 10.1021 / ja01611a074 .
  • Яманака К. (1968). «Очистка, кристаллизация и свойства изомеразы D-ксилозы из Lactobacillus brevis». Биохим. Биофиз. Acta . 151 (3): 670–80. DOI : 10.1016 / 0005-2744 (68) 90015-6 . PMID  5646045 .