Glukose-Isomerase

Glukose-Isomerase (GI, EC 5.3.1.5), auch bekannt als Xylose-Isomerase, D-Xylose-Isomerase, D-Xylose-Keto-Isomerase und D-Xylose-Ketol-Isomerase, ist eine Isomerase, die Aldosen wie D-Xylose, D-Glukose, D-Ribose, usw., in die entsprechenden Ketosen isomerisiert. Der systematische Name dieser Enzymklasse ist D-Xylose-Aldose-Ketose-Isomerase. Glukose-Isomerase hat eine Vielzahl von Quellen, einschließlich Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze und Actinobakterien sowie Pflanzen und Tiere. Glukose-Isomerase ist ein Schlüsselenzym in der industriellen Produktion von hochfruktosehaltigem Maissirup und Kraftstoffethanol.

Enzymatische Eigenschaften

• Substratspezifität

Glukose-Isomerase hat eine breite Palette von Substraten, neben D-Glukose und D-Xylose kann die Glukose-Isomerase auch Substrate wie D-Ribose, L-Arabinose, L-Rhamnose, D-Allose, Deoxyglukose, usw. katalysieren. Allerdings kann die Glukose-Isomerase nur die Umwandlung des alpha-optischen Isomers von D-Glukose oder D-Xylose katalysieren, nicht jedoch das beta-optische Isomer.

• Optimale Temperatur und pH

Der optimale pH-Wert der Glukose-Isomerase ist normalerweise leicht alkalisch, zwischen 7,0 und 9,0. Unter sauren Bedingungen ist die Enzymaktivität der meisten Arten sehr niedrig. Die optimale Reaktionstemperatur der Glukose-Isomerase liegt allgemein bei 70-80°C.

• Metallionenbedarf und Inhibitoren

GI benötigt ein zweiwertiges Kation wie Mg²⁺, Co²⁺ oder Mn²⁺, oder eine Kombination dieser Kationen, für maximale Aktivität. Obwohl sowohl Mg²⁺ als auch Co²⁺ für die Aktivität unerlässlich sind, spielen sie unterschiedliche Rollen. Während Mg²⁺ als Aktivator Co²⁺ überlegen ist, ist Co²⁺ für die Stabilisierung des Enzyms verantwortlich, indem es die geordnete Konformation, insbesondere die quartäre Struktur des Enzyms, aufrechterhält.

Struktur

Obwohl Glukose-Isomerasen aus verschiedenen Arten bestimmte Unterschiede in der primären Struktur der Proteine aufweisen, haben sie ähnliche räumliche Strukturen. Glukose-Isomerasen sind alle Nicht-Glykoproteine und liegen allgemein in Form von Tetrameren oder Dimeren vor. Ihr Subunit-Monomer hat eine Molekularmasse von 19-52 kD. Die tetrameren Untereinheiten sind durch nicht-kovalente Bindungen ohne Disulfidbindungen verbunden, die Bindung zwischen Dimeren ist stärker als die Bindung zwischen Untereinheiten in Dimeren. Die Gruppe der Untereinheiten ist symmetrisch verteilt, und jedes Subunit-Monomer ist in zwei Domänen unterteilt.

Die N-terminale Hauptdomäne besteht aus einer "katalytischen Tasche", die aus 8 Strängen einer α/β-helixgefalteten Struktur besteht, die innere Schicht besteht aus 8 parallelen β-Faltblättern, und die äußere Schicht besteht aus 8 Strängen einer α-Helix, die abwechselnd benachbart zu den β-Faltblättern angeordnet sind. Die Peptidkette der α-Helix ist antiparallel zu dem β-Faltblatt, und das aktive Zentrum befindet sich nahe dem C-Terminus des β-Faltblatts. Die kleine Domäne am C-Terminus ist zufällig durch einige α-Helices zu einer unregelmäßigen kreisförmigen Struktur gewunden, die an der Wechselwirkung zwischen den Untereinheiten und dem Aufbau des aktiven Zentrums beteiligt ist. Die tetramere Glukose-Isomerase hat vier aktive Zentren, die taschenförmig sind, und das aktive Zentrum befindet sich nahe dem C-Terminus des β-Fassbereichs der katalytischen Domäne der Untereinheit. Jedes aktive Zentrum besteht aus zwei benachbarten Untereinheiten, die zwei Bindungsstellen für zweiwertige Metallionen sowie konservierte Reste enthalten, die mit der Substratbindung und den katalytischen Prozessen verbunden sind.

Wirkungsmechanismus

Der katalytische Mechanismus von GI war Gegenstand großes Interesses bei Forschern. Früher wurde angenommen, dass GI ähnlich wie Zuckerphosphat-Isomerasen funktioniert und dem Ene-Diol-Mechanismus folgt. Neuere Studien haben die Wirkung von GI einem Hydridverschiebungsmechanismus zugeschrieben. Das Wissen über die Konfiguration des aktiven Zentrums ist eine Voraussetzung für das Studium der Struktur-Funktions-Beziehung des Enzyms. Verschiedene Ansätze wurden verwendet, um das aktive Zentrum von GI zu untersuchen und seinen Wirkungsmechanismus zu umreißen. Dazu gehören (i) chemische Modifikation, (ii) Röntgenkristallographie und (iii) Isotopenaustausch. Die Hauptmerkmale des für GI vorgeschlagenen Mechanismus sind das Öffnen des Substratrings, die Isomerisierung durch eine Hydridverschiebung von C-2 nach C-1 und das Schließen des Rings des Produkts.

Abbildung 1. Wirkungsmechanismus von GI. (a) cis-Enediol. (b) Protonenübertragung. (c) Hydridverschiebung.
(Bhosale, S.H., et al. 1996)

Bei der Isomerisierung von Glukose wird Histidin 53 verwendet, um die Protonenübertragung von O1 nach O5 zu katalysieren. Bei der Isomerisierung von Xylose hat die Kristalldaten gezeigt, dass der Xylose-Zucker in einer offenen Kettenkonformation an das Enzym bindet. Metall 1 bindet an O2 und O4, und sobald es gebunden ist, bindet Metall 2 an O1 und O2 im Übergangszustand, und diese Wechselwirkungen zusammen mit einem Lysinrest helfen, die für die Isomerisierung notwendige Hydridverschiebung zu katalysieren. Der Übergangszustand besteht aus einem hochenergetischen Carboniumion, das durch alle Metallwechselwirkungen mit dem Zuckersubstrat stabilisiert wird.

Produktion und Anwendung

Die Produktionskosten des Enzyms sind ein wichtiger Faktor bei der Bewertung seiner Eignung für industrielle Anwendungen. Intensive Anstrengungen wurden unternommen, um die Fermentationsparameter für die Produktion von GI zu optimieren, um wirtschaftlich tragfähige Technologien zu entwickeln. Die Forschung konzentriert sich auf drei Hauptaspekte: (i) Verbesserung der Erträge von GI, (ii) Optimierung des Fermentationsmediums mit besonderem Bezug auf den Ersatz von Xylose durch einen günstigeren Ersatz und die Eliminierung des Bedarfs an Co21-Ionen, und (iii) Immobilisierung des Enzyms. Die am weitesten verbreitete Anwendung dieses Enzyms besteht in der Umwandlung von Glukose in Fruktose zur Herstellung von hochfruktosehaltigem Maissirup (HFCS). Xylose-Isomerase ist eines der Enzyme, die von Bakterien in der Natur verwendet werden, um Cellulose als Nahrung zu nutzen, und ein weiterer Schwerpunkt der industriellen und akademischen Forschung hat die Entwicklung von Versionen der Xylose-Isomerase, die in der Produktion von Biokraftstoffen nützlich sein könnten, vorangetrieben.

Referenz