Isomere, die in vielen Varianten vorhanden sind, können allgemein in strukturelle Isomere und Stereoisomere unterteilt werden. Strukturelle Isomere haben eine unterschiedliche Sequenz und/oder unterschiedliche Bindungsanordnungen zueinander. Stereoisomere mit derselben Anordnung der einzelnen Bindungen und demselben Verbindungstyp unterscheiden sich in der dreidimensionalen Anordnung der gebundenen Atome. Intramolekulare Lyasen, Oxidoreduktasen und Transferasen in den Unterkategorien der Isomerasen katalysieren die Umwandlung von strukturellen Isomeren, während Racemasen, Epimerasen und cis-trans-Isomere die Umwandlung von Stereoisomeren fördern. Die Häufigkeit von Isomeren in der Natur hängt teilweise von der Isomerisierungsenergie ab, dem Unterschied in der inneren Energie zwischen Isomeren. Isomere mit ähnlichen Energieniveaus können leicht umgewandelt werden und werden normalerweise in vergleichbaren Proportionen nachgewiesen. Isomerasen können die Isomerisierungsenergie senken und somit die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.

Klassifikation

Isomerasen haben die EC-Nummer EC 5 erhalten und werden weiter in sechs Unterklassen unterteilt.

a. Racemasen, Epimerasen

Isomerasen in EC 5.1 umfassen Racemasen und Epimerasen, die beide die Stereochemie am Ziel-Chiral-Kohlenstoff umkehren. Racemasen wirken hauptsächlich auf Moleküle mit nur einem chiralem Kohlenstoff für die stereochemische Umkehrung, während Epimerasen Moleküle mit mehreren chiralem Kohlenstoffen anvisieren, indem sie auf einen von ihnen wirken. Die Isomerisierung an einem chiralem Kohlenstoff unter mehreren erzeugt Epimere, die sich nur in der absoluten Konfiguration an einem chiralem Kohlenstoff unterscheiden. Diese Klasse wird weiter unterteilt, je nach der Gruppe, auf die das Enzym wirkt.

b. Cis-trans Isomerasen

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

c. Intramolekulare Oxidoreduktasen

Intramolekulare Oxidoreduktasen werden in EC 5.3 kategorisiert und katalysieren den Transfer von Elektronen von einem Teil des Moleküls zu einem anderen, was bedeutet, dass die Oxidation eines Teils des Moleküls und die Reduktion eines anderen Teils gleichzeitig von dieser Art von Enzymen katalysiert werden. Unterkategorien dieser Klasse sind unten aufgeführt.

d. Intramolekulare Transferasen

Intramolekulare Transferasen (Mutasen) in EC 5.4 beschleunigen den Transfer von funktionellen Gruppen von einem Teil eines Moleküls zu einem anderen. Je nach den funktionellen Gruppen, die das Enzym überträgt, können sie weiter in fünf Gruppen unterteilt werden.

e. Intramolekulare Lyasen

Isomerasen in EC 5.5 sind intramolekulare Lyasen, die Reaktionen katalysieren, bei denen eine Gruppe als aus einem Teil eines Moleküls eliminiert betrachtet werden kann, wodurch eine Doppelbindung entsteht, während sie kovalent an das Molekül gebunden bleibt. Einige dieser Reaktionen beinhalten die Zerstörung einer Ringstruktur. Diese Kategorie kann nicht weiter unterteilt werden und alle Einträge werden derzeit in der folgenden Tabelle angezeigt.

Mechanismen der Isomerasen

Verschiedene Typen von Isomerasen haben unterschiedliche Wirkungsweisen, die hauptsächlich Ringvergrößerung und -verkleinerung über Tautomere, Epimerisierung, intramolekulare Übertragung und intramolekulare Oxidoreduktion umfassen.  

a. Ringvergrößerung und -verkleinerung über Tautomere

Die Isomerisierung von Glukose (einem Aldehyd mit einem sechsringigen Ring) zu Fruktose (einem Keton mit einem fünfgliedrigen Ring) ist ein klassisches Beispiel für das Öffnen und Schließen eines Rings, katalysiert durch eine intramolekulare Oxidoreduktase, Glukose-6-Phosphat-Isomerase, die das Öffnen des Rings zur Bildung eines Aldose über Säure/Base-Katalyse und die Bildung eines cis-Endiol-Intermediats umfasst. Anschließend wird ein protoniertes geradkettiges Keton gebildet und der Ring wird wieder geschlossen.

b. Epimerisierung

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

c. Intramolekulare Übertragung

Chorismat-Mutase als intramolekulare Transferase könnte die Umwandlung von Chorismat in Prephenat katalysieren, das als Vorläufer für L-Tyrosin und L-Phenylalanin in einigen Pflanzen und Bakterien verwendet wird. Diese Reaktion gehört zu einer Claisen-Umlagerung, die in Anwesenheit oder Abwesenheit von Isomerase ablaufen kann und durch einen Stuhlübergangszustand mit dem Substrat in einer trans-diaxialen Position verläuft. Es wurde gezeigt, dass die Isomerase selektiv an den Stuhlübergangszustand bindet, und diese Bindung könnte den Übergangszustand durch elektrostatische Effekte stabilisieren, was den starken Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit mit Mutase oder bei Zugabe eines spezifisch 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) in Dimethylallyl-Diphosphat (DMAPP) durch stereoselektive antarafaciale Transposition eines einzelnen Protons beteiligt, währenddessen eine stabile Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung umgeordnet wird, um ein hochreaktives allylisches Isomer zu hinterlassen. Ein tertiärer Carbocation-Intermediär an C3 wird durch die Protonierung der Doppelbindung an C4 gebildet. Anschließend wird das benachbarte Kohlenstoffatom, C2, von der gegenüberliegenden Seite deprotoniert, um eine Doppelbindung zu erhalten. Tatsächlich wird die Doppelbindung verschoben.

Anwendungen

Bis jetzt ist die Anwendung von Isomerasen in der Zuckerherstellung die häufigste. Glukose-Isomerase katalysiert die Umwandlung von D-Glukose in D-Fruktose, was ein wesentlicher Bestandteil der Produktion von hochfruktosehaltigem Maissirup ist und zu einem hohen Ertrag an Fruktose mit minimalen Nebenprodukten führt. Dies ermöglicht einen spezifischeren Prozess als ältere chemische Methoden zur Fruktoseproduktion. Die Hauptprobleme bei der Nutzung von Glukose-Isomerase sind ihre Inaktivierung bei höheren Temperaturen und die Notwendigkeit eines hohen pH-Werts 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 verursacht. Eine viel höhere Affinität für Xylose als für Glukose des Enzyms erfordert ebenfalls eine sorgfältig kontrollierte Umgebung.

Die effiziente Isomerisierung von Xylose zu Xylulose durch Glukose-Isomerase findet sich natürlich in Bakterien, die sich von verrottendem Pflanzenmaterial ernähren. Kommerzielle Werte wurden durch die Produktion von Ethanol demonstriert, die durch die Fermentation von Xylulose erreicht wurde. Glukose-Isomerase ist auch in der Lage, die Isomerisierung einer Reihe anderer Zucker, einschließlich D-Ribose, D-Allose und L-Arabinose, zu beschleunigen. Das aktuelle Mechanismusmodell der Glukose-Isomerase ist ein Hydridverschiebung, wie durch Isotopenaustausch- und Röntgenkristallographiestudien gezeigt. Insgesamt hat umfangreiche Forschung im Bereich der Gentechnik auf die Optimierung und Rückgewinnung von Glukose-Isomerase aus industriellen Prozessen zur Wiederverwendung abgezielt.

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