Isomere kommen in zahlreichen Varianten vor und lassen sich im Allgemeinen in Strukturisomere und Stereoisomere einteilen. Strukturisomere unterscheiden sich durch eine abweichende Sequenz und/oder eine unterschiedliche Verknüpfung der Bindungen. Stereoisomere weisen bei gleicher Reihenfolge der einzelnen Bindungen und gleichem Verbindungstyp Unterschiede in der dreidimensionalen Anordnung der gebundenen Atome auf. Intramolekulare Lyasen, Oxidoreduktasen und Transferasen innerhalb der Unterkategorien der Isomerasen katalysieren die Umwandlung von Strukturisomeren, während Racemasen, Epimerasen und cis-trans-Isomerasen die Umwandlung von Stereoisomeren fördern. Die Häufigkeit von Isomeren in der Natur hängt teilweise von der Isomerisierungsenergie ab, d. h. von der Differenz der inneren Energie zwischen Isomeren. Isomere mit ähnlichen Energieniveaus können leicht ineinander übergehen und werden in der Regel in vergleichbaren Anteilen nachgewiesen. Isomerasen können die Isomerisierungsenergie senken und dadurch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.

Klassifizierung

Isomerasen sind der EC-Nummer EC 5 zugeordnet und werden weiter in sechs Unterklassen eingeteilt.

a. Racemasen, Epimerasen

Isomerasen der EC 5.1 umfassen Racemasen und Epimerasen; beide invertieren die Stereochemie am Ziel‑Chiralitätszentrum (chirales Kohlenstoffatom). Racemasen wirken überwiegend auf Moleküle mit nur einem chiralen Kohlenstoffatom zur stereochemischen Inversion, während Epimerasen Moleküle mit mehreren chiralen Kohlenstoffatomen adressieren, indem sie an einem dieser Zentren wirken. Die Isomerisierung an einem chiralen Kohlenstoffatom unter mehreren erzeugt Epimere, die sich ausschließlich in der absoluten Konfiguration an genau einem chiralen Kohlenstoffatom unterscheiden. Diese Klasse wird weiter danach unterteilt, auf welche Gruppe das Enzym wirkt.

b. Cis-trans-Isomerasen

Isomerasen der EC 5.2 sind Enzyme, die die Isomerisierung von cis-trans-Isomeren katalysieren. Diese werden nicht durch absolute Konfiguration unterschieden, sondern durch die Position von Substituentengruppen relativ zu einer Referenzebene, z. B. einer Doppelbindung oder einer Ringstruktur. Moleküle mit Substituenten auf derselben Seite gehören zu cis-Isomeren, während trans-Isomere Gruppen auf gegenüberliegenden Seiten aufweisen. Diese Kategorie umfasst u. a. folgende Einträge.

c. Intramolekulare Oxidoreduktasen

Intramolekulare Oxidoreduktasen werden der EC 5.3 zugeordnet und katalysieren den Elektronentransfer von einem Teil des Moleküls auf einen anderen; das heißt, die Oxidation eines Molekülteils und die Reduktion eines anderen Teils werden durch diesen Enzymtyp gleichzeitig katalysiert. Unterkategorien dieser Klasse sind nachfolgend aufgeführt.

d. Intramolekulare Transferasen

Intramolekulare Transferasen (Mutasen) der EC 5.4 beschleunigen die Übertragung funktioneller Gruppen von einem Teil eines Moleküls auf einen anderen. Abhängig von den funktionellen Gruppen, die das Enzym überträgt, können sie weiter in fünf Gruppen eingeteilt werden.

e. Intramolekulare Lyasen

Isomerasen der EC 5.5 sind intramolekulare Lyasen, die Reaktionen katalysieren, bei denen eine Gruppe als aus einem Teil eines Moleküls eliminiert betrachtet werden kann, wobei eine Doppelbindung zurückbleibt, während die Gruppe kovalent an das Molekül gebunden bleibt. Einige dieser Reaktionstypen beinhalten die Auflösung einer Ringstruktur. Diese Kategorie lässt sich nicht weiter unterteilen; alle derzeitigen Einträge sind in der folgenden Tabelle dargestellt.

Wirkmechanismen von Isomerasen

Unterschiedliche Isomerasetypen weisen unterschiedliche Wirkweisen auf; hierzu zählen insbesondere Ringerweiterung und -kontraktion über Tautomere, Epimerisierung, intramolekulare Übertragung sowie intramolekulare Oxidoreduktion.  

a. Ringerweiterung und -kontraktion über Tautomere

Die Isomerisierung von Glukose (ein Aldehyd mit sechsgliedrigem Ring) zu Fruktose (ein Keton mit fünfgliedrigem Ring) ist ein klassisches Beispiel für Ringöffnung und -kontraktion, katalysiert durch eine intramolekulare Oxidoreduktase, die Glukose-6-phosphat-Isomerase. Dabei erfolgt die Ringöffnung zur Bildung einer Aldose über Säure-/Basen-Katalyse sowie die Bildung eines cis-Endiol-Zwischenprodukts. Anschließend entsteht eine protonierte, geradkettige Ketose, und der Ring schließt sich erneut.

b. Epimerisierung

Die Umwandlung von D-Ribulose-5-phosphat zu D-Xylulose-5-phosphat im Calvin-Zyklus durch Ribulose-phosphat-3-Epimerase ist eine Epimerisierung, bei der sich Substrat und Produkt ausschließlich in der Stereochemie am dritten Kohlenstoffatom der Kette unterscheiden. Als zugrunde liegender Mechanismus gilt wahrscheinlich die Deprotonierung dieses Kohlenstoffatoms zur Bildung eines reaktiven Enolat-Zwischenprodukts, das ein planares Intermediat darstellt und anschließend durch Protonierung von der gegenüberliegenden Seite die entgegengesetzte Chiralität erhält. Das Zusammenspiel dieser Schritte aus Deprotonierung, Stabilisierung und Protonierung invertiert die Stereochemie am dritten Kohlenstoffatom.

c. Intramolekulare Übertragung

Chorismat-Mutase kann als intramolekulare Transferase die Umwandlung von Chorismat zu Prephenat katalysieren, das in einigen Pflanzen und Bakterien als Vorstufe für L-Tyrosin und L-Phenylalanin dient. Diese Reaktion entspricht einer Claisen-Umlagerung, die sowohl in Anwesenheit als auch in Abwesenheit einer Isomerase ablaufen kann, und sie verläuft über einen Sessel-Übergangszustand mit dem Substrat in trans-diaxialer Position. Es wurde gezeigt, dass die Isomerase selektiv an den Sessel-Übergangszustand bindet; diese Bindung kann den Übergangszustand durch elektrostatische Effekte stabilisieren, was den starken Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit mit Mutase bzw. nach Zugabe eines spezifisch positionierten Kations im aktiven Zentrum erklärt.

d. Intramolekulare Oxidoreduktion

Isopentenyl-Diphosphat-Delta-Isomerase Typ I (IPP-Isomerase) ist an der Umwandlung von Isopentenyl-Diphosphat (IPP) zu Dimethylallyl-Diphosphat (DMAPP) beteiligt, und zwar über eine stereoselektive antarafaciale Transposition eines einzelnen Protons. Dabei wird eine stabile Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung umgelagert, sodass ein hoch elektrophiles allylisches Isomer entsteht. Durch Protonierung der Doppelbindung an C4 wird ein tertiäres Carbokation-Zwischenprodukt an C3 gebildet. Anschließend wird der benachbarte Kohlenstoff C2 von der gegenüberliegenden Seite deprotoniert, um eine Doppelbindung zu erzeugen. Tatsächlich wird die Doppelbindung dabei verschoben.

Anwendungen

Bislang ist die Anwendung von Isomerasen in der Zuckerherstellung am weitesten verbreitet. Glukose-Isomerase katalysiert die Umwandlung von D-Glukose zu D-Fruktose, ein zentraler Schritt bei der Herstellung von Maissirup mit hohem Fruktosegehalt (High-Fructose Corn Syrup, HFCS), und ermöglicht eine hohe Fruktoseausbeute bei minimalen Nebenprodukten. Dadurch wird ein spezifischerer Prozess als bei älteren chemischen Verfahren zur Fruktoseherstellung ermöglicht. Wesentliche Herausforderungen bei der Nutzung der Glukose-Isomerase sind ihre Inaktivierung bei höheren Temperaturen sowie die Notwendigkeit eines hohen pH-Werts während der Reaktion. Die optimale Aktivität dieses Enzyms wird nur in Anwesenheit eines zweiwertigen Kations wie Co²⁺ oder Mg²⁺ erreicht, was zusätzliche Kosten für Hersteller verursacht. Die deutlich höhere Affinität des Enzyms zu Xylose im Vergleich zu Glukose erfordert zudem eine sorgfältig kontrollierte Prozessumgebung.

Die effiziente Isomerisierung von Xylose zu Xylulose durch Glukose-Isomerase kommt natürlicherweise in Bakterien vor, die sich von verrottendem Pflanzenmaterial ernähren. Ein kommerzieller Nutzen wurde durch die Ethanolproduktion nachgewiesen, die durch Fermentation von Xylulose erreicht wird. Glukose-Isomerase kann zudem die Isomerisierung einer Reihe weiterer Zucker beschleunigen, darunter D-Ribose, D-Allose und L-Arabinose. Das derzeitige mechanistische Modell der Glukose-Isomerase ist eine Hydridverschiebung, wie durch Isotopenaustausch- und Röntgenkristallographie-Studien gezeigt wurde. Insgesamt konzentriert sich die umfangreiche Forschung im Bereich Gentechnik auf die Optimierung und Rückgewinnung von Glukose-Isomerase aus industriellen Prozessen zur Wiederverwendung.

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