Einführung in Lyasen

In der Physiologie ist eine Lyase ein Enzym, das katalytisch hilft, verschiedene chemische Bindungen durch eine "Eliminierungs"-Reaktion zu brechen, die weder Hydrolyse noch Oxidation ist. Diese Reaktion führt oft zur Bildung einer neuen zyklischen Struktur oder einer neuen Doppelbindung, und eine umgekehrte Reaktion, die als "Michael-Zusatz" bezeichnet wird, könnte ebenfalls unter der Katalyse von Lyase stattfinden. Um entweder eine Doppelbindung oder einen neuen Ring zu erhalten, wirkt die Lyase auf das einzelne Substrat und ein Molekül wird eliminiert. Lyasen unterscheiden sich von anderen Enzymen, da nur ein Substrat für die Reaktion in eine Richtung erforderlich ist, während zwei Substrate für die umgekehrte Reaktion notwendig sind. Lyasen sind häufig in den Reaktionen des Zitronensäurezyklus (Krebs-Zyklus) und in der Glykolyse zu beobachten. In der Glykolyse kann Aldolase Fructose 1,6-bisphosphat leicht und reversibel in die Produkte Glycerinaldehyd 3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat abbauen, was ein Beispiel für eine Lyase ist, die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen spaltet. Lyase arbeitet ohne die notwendigen Anforderungen für die Cofaktor-Recycling und bietet eine absolute Stereospezifität mit einem theoretischen Ertrag von 100%, was sie im Vergleich zu enantiomeren Auflösungen mit nur 50% Produktivitätsrate viel effizienter macht. Daher wurden erhebliche Forschungen auf die Erkundung von Lyasen als Biokatalysatoren zur Synthese optisch aktiver Verbindungen gerichtet, die bereits in einigen großen kommerziellen Prozessen Anwendung gefunden haben. Lyasen werden systematisch als "Substratgruppe-Lyase" benannt, wie z.B. Decarboxylase, Dehydratase, Aldolase usw. Wenn ein Produkt bedeutender ist, kann Synthase in einem Namen wie Phosphosulfolactat-Synthase ausgedrückt werden.

Klassifikation

In der EC-Nummer-Klassifikation von Enzymen könnte EC 4 Lyasen repräsentieren, die weiter in sieben Unterklassen unterteilt werden können. Lyasen in EC 4.1 spalten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen und umfassen Decarboxylasen (EC 4.1.1), Aldehyd-Lyasen (EC 4.1.2), die die umgekehrte Reaktion von Aldol-Kondensationen erleichtern, Oxo-Säure-Lyasen (EC 4.1.3), die die Spaltung vieler 3-Hydroxy-Säuren katalysieren, und andere (EC 4.1.99). EC 4.2 enthält eine Gruppe von Lyasen, die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen brechen, wie Dehydratase. Hydro-Lyasen, die Teil der Kohlenstoff-Sauerstoff-Lyasen sind, könnten die Spaltung von C-O-Bindungen durch die Eliminierung von Wasser erleichtern. Einige andere Kohlenstoff-Sauerstoff-Lyasen fördern die Eliminierung eines Phosphats oder die Entfernung eines Alkohols aus einem Polysaccharid. Lyasen, die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen spalten, sind in EC 4.3 eingeordnet. Sie könnten Ammoniak mit starker Spaltfähigkeit freisetzen und gleichzeitig eine Doppelbindung oder einen Ring bilden. Einige dieser Enzyme können auch helfen, eine Amin- oder Amidgruppe zu eliminieren. EC 4.4 repräsentiert Lyasen, die Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen spalten, die Diwasserstoffsulfid (H₂S) aus einer Reaktion eliminieren oder substituieren könnten. Enzyme, die Kohlenhalogen-Bindungen spalten, sind Lyasen in EC 4.5 und nutzen einen Aktionsmodus, der Salzsäure aus einem synthetischen Pestizid Dichlor-Diphenyl-Trichlorethan (DDT) entfernt. EC 4.6 umfasst Lyasen, die Phosphor-Sauerstoff-Bindungen spalten, wie Adenylylcyclase und Guanylylcyclase, und sie eliminieren Diphosphat aus Nukleotidtriphosphaten. EC 4.99 ist eine Gruppe anderer Lyasen.

Substratspezifität

Eine enge Substratspezifität wird normalerweise als Nachteil für die Kommerzialisierung eines Enzyms angesehen, da sie die Flexibilität eines Enzyms als Hilfsmittel bei der Produktion verwandter Verbindungen stark einschränkt. Lyasen sind im Allgemeinen, aber nicht immer, mit einer engen Substratspezifität zu finden. Die meisten Hydratase und Ammoniak-Lyasen besitzen tatsächlich eine recht enge Substratspezifität, während die Substratspezifität für Aldolasen, Decarboxylasen und Oxy-Nitrilasen viel breiter ist. Es ist bemerkenswert, dass die Substratspezifität einer bestimmten Lyase je nach ihrer Quelle variiert. Es ist jedoch keine absolute Voraussetzung für Enzyme, eine uneingeschränkte Substratspezifität für ihre kommerzielle Nutzung zu besitzen. Tatsächlich gibt es mehrere Lyasen in kommerzieller Nutzung, die ein recht enges Substratspektrum aufweisen.

Cofaktor-Anforderungen

Das kommerzielle Potenzial von Enzymen kann durch die Anforderung teurer Cofaktoren erheblich eingeschränkt werden. Da die von der Lyase katalysierte Addition keine bloße Oxidation oder Reduktion impliziert, ist es keine wesentliche Anforderung für Cofaktoren. Bis jetzt erfordern jedoch die meisten identifizierten Lyasen Cofaktoren, die an der Stabilisierung von Reaktionszwischenprodukten, der Polarisation des Substrats, der Substratbindung, der temporären Bindung des Nucleophils usw. beteiligt sind. Die Mehrheit dieser Cofaktoren ist nicht sehr teuer und kovalent an das Enzym gebunden. Daher stellen die Cofaktoren von Lyasen kein Hindernis für ihre Kommerzialisierung dar. Die Anforderungen an Cofaktoren von Lyasen variieren je nach ihren unterschiedlichen Quellen.

Lyase-Mangelstörung

Lyase-Mangel, auch als HMG-CoA-Lyase-Mangel bezeichnet, ist eine seltene erbliche Störung, die das Metabolismus von der Aminosäure Leucin stört und den Körper daran hindert, Ketone zu synthetisieren, die zur Energieproduktion während Zeiten des Nahrungsmangels im Körper verwendet werden. Der Zustand kann in einem autosomal-rezessiven Muster vererbt werden, was bedeutet, dass beide Kopien des Gens in jeder Zelle Mutationen durchlaufen. Die Symptome des Lyase-Mangels treten normalerweise im ersten Lebensjahr auf und umfassen hauptsächlich Durchfall, Erbrechen, Lethargie, Dehydration und schwache Muskelentwicklung. Während einer Episode des Lyase-Mangels können die Blutzuckerkonzentrationen hypoglykämisch oder extrem niedrig sein, und einige schädliche Verbindungen würden sich ansammeln, um das Blut ziemlich sauer zu machen. Wenn unbehandelt, könnte die Störung sogar ein Koma, Krämpfe, Atemprobleme und sogar den Tod auslösen. Anstrengende Übungen, Infektionen und andere körperliche Belastungen können wahrscheinlich zu Anfällen mit den Symptomen des Lyase-Mangels führen.

Linderung der Lyase-Mangelstörung

Die Symptome des Lyase-Mangels würden nach langen Perioden ohne Nahrungsaufnahme verstärkt werden. Daher sollten Menschen, die von dieser Krankheit betroffen sind, regelmäßige Nahrungsaufnahme und eine gute Balance sichergestellt werden. Der Verzehr von kohlenhydratreichen und protein- sowie fettarmen Lebensmitteln kann vorteilhaft sein, um niedrige Blutzuckerspiegel zu verhindern. Die Anwendung von L-Carnitin kann dem Körper helfen, zelluläre Energie zu produzieren, was äußerst vorteilhaft wäre, wenn sich der Körper lethargisch und dehydriert fühlt.

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