Isomere, die in vielen Varianten vorkommen, können im Allgemeinen in Strukturisomere und Stereoisomere unterteilt werden. Strukturisomere unterscheiden sich in der Reihenfolge und/oder der Verknüpfung der Bindungen voneinander. Stereoisomere mit gleicher Anordnung der einzelnen Bindungen und gleichem Verbindungstyp unterscheiden sich in der dreidimensionalen Anordnung der gebundenen Atome. Intramolekulare Lyasen, Oxidoreduktasen und Transferasen in den Unterkategorien der Isomerasen katalysieren die Umwandlung von Strukturisomeren, während Racemasen, Epimerasen und Cis-Trans-Isomerasen die Umwandlung von Stereoisomeren fördern. Das Vorkommen von Isomeren in der Natur hängt teilweise von der Isomerisierungsenergie ab, also dem Unterschied der inneren Energie zwischen Isomeren. Isomere mit ähnlichen Energieniveaus können leicht ineinander umgewandelt werden und werden meist in vergleichbaren Anteilen nachgewiesen. Isomerasen können die Isomerisierungsenergie senken und so die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.

Klassifizierung

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

a. Racemasen, Epimerasen

Isomerasen der EC 5.1 umfassen Racemasen und Epimerasen, die beide die Stereochemie am Ziel-Chiralitätszentrum umkehren. Racemasen wirken hauptsächlich auf Moleküle mit nur einem Chiralitätszentrum zur stereochemischen Inversion, während Epimerasen auf Moleküle mit mehreren Chiralitätszentren abzielen, indem sie an einem davon wirken. Die Isomerisierung an einem von mehreren Chiralitätszentren erzeugt Epimere, die sich nur in der absoluten Konfiguration an einem Chiralitätszentrum unterscheiden. Diese Klasse wird weiter nach der Gruppe unterteilt, auf die das Enzym wirkt.

b. Cis-trans-Isomerasen

Isomerasen der EC 5.2 sind Enzyme, die die Isomerisierung von cis-trans-Isomeren katalysieren, die sich nicht durch absolute Konfiguration, sondern durch die Position der Substituenten in Bezug auf eine Referenzebene, wie eine Doppelbindung oder eine Ringstruktur, unterscheiden. Moleküle mit Substituenten auf derselben Seite gehören zu cis-Isomeren, während trans-Isomere Gruppen auf gegenüberliegenden Seiten haben. Diese Kategorie enthält die folgenden Einträge.

c. Intramolekulare Oxidoreduktasen

Intramolekulare Oxidoreduktasen werden in EC 5.3 eingeteilt und katalysieren die Übertragung von Elektronen von einem Teil des Moleküls auf einen anderen, was bedeutet, dass die Oxidation eines Teils des Moleküls und die Reduktion eines anderen Teils gleichzeitig durch diesen Enzymtyp katalysiert werden. Unterkategorien dieser Klasse sind unten aufgeführt.

d. Intramolekulare Transferasen

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

e. Intramolekulare Lyasen

Isomerasen der EC 5.5 sind intramolekulare Lyasen, die Reaktionen katalysieren, bei denen eine Gruppe als von einem Teil eines Moleküls abgespalten betrachtet werden kann, wobei eine Doppelbindung entsteht, während sie kovalent am Molekül verbleibt. Einige dieser Reaktionen beinhalten die Zerstörung einer Ringstruktur. Diese Kategorie kann nicht weiter unterteilt werden und alle Einträge sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Mechanismen der Isomerasen

Verschiedene Typen von Isomerasen haben unterschiedliche Wirkungsweisen, hauptsächlich einschließlich Ringerweiterung und -verkürzung über Tautomere, Epimerisierung, intramolekulare Übertragung und intramolekulare Oxidoreduktion.

a. Ringerweiterung und -verkürzung über Tautomere

Die Isomerisierung von Glukose (ein Aldehyd mit einem sechsgliedrigen Ring) zu Fruktose (ein Keton mit einem fünfgliedrigen Ring) ist ein klassisches Beispiel für Ringöffnung und -verkürzung, katalysiert durch eine intramolekulare Oxidoreduktase, Glucose-6-phosphat-Isomerase, die die Ringöffnung zur Bildung eines Aldose über Säure/Base-Katalyse und die Bildung eines cis-Endiol-Zwischenprodukts beinhaltet. Anschließend wird ein protoniertes, unverzweigtes Keton gebildet und der Ring schließt sich erneut.

b. Epimerisierung

Die Umwandlung von D-Ribulose-5-phosphat in D-Xylulose-5-phosphat im Calvin-Zyklus durch Ribulosephosphat-3-Epimerase gehört zur Epimerisierung, bei der sich Substrat und Produkt nur in der Stereochemie am dritten Kohlenstoff unterscheiden. Die Deprotonierung dieses Kohlenstoffs zur Bildung eines reaktiven Enolat-Zwischenprodukts ist wahrscheinlich ein zugrunde liegender Mechanismus, der ein planare Zwischenprodukt erzeugt, das später durch Protonierung von der anderen Seite die entgegengesetzte Chiralität erhält. Die Abfolge dieser Deprotonierungs-Stabilisierungs-Protonierungsschritte kehrt die Stereochemie am dritten Kohlenstoff um.

c. Intramolekulare Übertragung

Chorismat-Mutase als intramolekulare Transferase kann die Umwandlung von Chorismat zu Prephenat katalysieren, das als Vorläufer für L-Tyrosin und L-Phenylalanin in einigen Pflanzen und Bakterien dient. Diese Reaktion gehört zu einer Claisen-Umlagerung, die in Anwesenheit oder Abwesenheit von Isomerase ablaufen kann und über einen Sessel-Übergangszustand mit dem Substrat in trans-diaxialer Position verläuft. Es wurde gezeigt, dass die Isomerase selektiv an den Sessel-Übergangszustand bindet und diese Bindung den Übergangszustand durch elektrostatische Effekte stabilisieren kann, was die starke Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit mit Mutase oder nach Zugabe eines speziell platzierten 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) durch stereoselektive antarafaciale Transposition eines einzelnen Protons beteiligt, wobei eine stabile Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung umgelagert wird, sodass ein hoch elektrophiles allylisches Isomer entsteht. Ein tertiäres Carbokation-Zwischenprodukt an C3 wird durch Protonierung der Doppelbindung an C4 gebildet. Anschließend wird der benachbarte Kohlenstoff, C2, von der gegenüberliegenden Seite deprotoniert, um eine Doppelbindung zu erhalten. Tatsächlich wird die Doppelbindung verschoben.

Anwendungen

Bis heute ist die Anwendung von Isomerasen in der Zuckerherstellung am weitesten verbreitet. Glucose-Isomerase katalysiert die Umwandlung von D-Glukose in D-Fruktose, was ein entscheidender Schritt bei der Herstellung von High-Fructose Corn Syrup ist und zu einer hohen Ausbeute an Fruktose mit minimalen Nebenprodukten führt. Dies ermöglicht ein spezifischeres Verfahren als ältere chemische Methoden zur Fruktoseherstellung. Hauptprobleme bei der Verwendung von Glucose-Isomerase entstehen durch deren Inaktivierung bei höheren Temperaturen und den Bedarf an hohem pH-Wert während der Reaktion. Die optimale Aktivität dieses Enzyms kann nur in Anwesenheit eines zweiwertigen Kations wie Co²⁺ oder Mg²⁺ erreicht werden, was zusätzliche Kosten für die Hersteller bedeutet. Eine viel höhere Affinität des Enzyms für Xylose als für Glukose erfordert zudem eine sorgfältig kontrollierte Umgebung.

Die effiziente Isomerisierung von Xylose zu Xylulose durch Glucose-Isomerase kommt natürlich in Bakterien vor, die sich von verrottendem Pflanzenmaterial ernähren. Kommerzielle Bedeutung wurde durch die Herstellung von Ethanol nachgewiesen, das durch Fermentation von Xylulose gewonnen wird. Glucose-Isomerase kann auch die Isomerisierung einer Reihe anderer Zucker beschleunigen, darunter D-Ribose, D-Allose und L-Arabinose. Das aktuelle Mechanismusmodell der Glucose-Isomerase ist ein Hydrid-Shift, wie durch Isotopenaustausch- und Röntgenkristallographiestudien gezeigt wurde. Insgesamt konzentriert sich die umfangreiche Forschung im Bereich Gentechnik auf die Optimierung und Rückgewinnung von Glucose-Isomerase aus industriellen Prozessen zur Wiederverwendung.

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