Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с D-ксилозоизомеразы )
Перейти к навигации Перейти к поиску
ксилозоизомераза
2glk.png
Тетрамер D-ксилозоизомеразы из Streptomyces rubiginosus PDB 2glk . [1] Один мономер окрашен вторичной структурой, чтобы подчеркнуть архитектуру цилиндра TIM.
Идентификаторы
ЕС нет.5.3.1.5
№ CAS9023-82-9
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
BRENDABRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmigo / QuickGO
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки

В энзимологии , A ксилозоизомераза ( ЕС 5.3.1.5 ) представляет собой фермент , который катализирует взаимопревращение D-ксилозы и D-ксилулозы . Этот фермент принадлежит к семейству изомераз , в частности к тем внутримолекулярным оксидоредуктазам, которые взаимопревращают альдозы и кетозы . Изомераза наблюдалась почти у сотни видов бактерий. Ксилозоизомеразы также обычно называют фруктозоизомеразами из-за их способности взаимно превращать глюкозу и фруктозу. Систематическое названиеэтого класса ферментов является D-ксилоза-альдоз-кетозо-изомераза. Другие широко используемые названия включают D-ксилозоизомеразу, D-ксилозокетоизомеразу и D-ксилозокетол-изомеразу. [2]

История [ править ]

Активность D- ксилозоизомеразы впервые была обнаружена Мицухаши и Лампеном в 1953 году на бактерии Lactobacillus pentosus . [3] Искусственное производство с помощью трансформированной кишечной палочки также оказалось успешным. [4] В 1957 году активность D-ксилозоизомеразы в превращении D-глюкозы в D-фруктозу была отмечена Куи и Маршаллом. [5] В настоящее время известно, что изомеразы обладают широкой субстратной специфичностью. Большинство пентоз и некоторые гексозы являются субстратами для D-ксилозоизомеразы. Некоторые примеры включают: D-рибозу, L-арабинозу, L-рамнозу и D-аллозу. [6]

Превращение глюкозы во фруктозу с помощью ксилозоизомеразы было впервые запатентовано в 1960-х годах, однако этот процесс не был промышленно жизнеспособным, поскольку ферменты были суспендированы в растворе, и переработка фермента была проблематичной. [6] Неподвижная изомераза ксилозы, которая фиксируется на твердой поверхности, была впервые разработана Таканаши в Японии. [6] Эти разработки были важны для развития промышленных процессов ферментации, используемых при производстве кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы . [7] : 27 [8] : 808–813

Третичная структура была определена для нескольких изомераз ксилозы из микробов, начиная с середины 1980-х годов ( Streptomyces olivochromogenes в 1988 году, Streptomyces violaceoniger в 1988 году, Streptomyces rubiginosus в 1984 году, Arthrobacter B3728 в 1986 году, Actinoplanes missouriensis в 1992 году и Clostridium thermosulfurogenes в 1990 году). [7] : 366

Функция [ править ]

Этот фермент участвует в пентозы и глюкуроновой взаимопревращения и фруктозы и маннозы метаболизма. По данным Международного общества редких сахаров, наиболее биодоступными сахарами являются: глюкоза, галактоза, манноза, фруктоза, ксилоза, рибоза и L-арабиноза. Двадцать гексоз и девять пентоз, включая ксилулозу, считались «редкими сахарами». Следовательно, D-ксилозоизомераза используется для производства этих редких сахаров, которые имеют очень важное применение в биологии, несмотря на их низкое содержание. [9]

Характеристика [ править ]

Ксилозоизомераза, которую можно выделить из красного китайского рисового вина, содержащего бактерии Lactobacillus xylosus . [10] Эта бактерия была ошибочно классифицирована как L. plantarum , которая обычно растет на сахарной L-арабинозе и редко растет на D-ксилозе. Было признано, что L. xylosus отличается своей способностью расти на D-ксилозе. [11] Ксилозоизомераза L. xylosus имеет молекулярную массу около 183000 дальтон. [12] Оптимальный pH для роста L. lactis составляет около 7,5 , однако такие штаммы, как фермент ксилоза L.brevis, предпочитают более щелочную среду. ВШтамм L. lactis стабилен в диапазоне pH от 6,5 до 11,0, а фермент L. brevis , который менее устойчив к изменениям pH, проявляет активность в диапазоне pH от 5,7 до 7,0. [12] Термические тесты были также проведены Кей Й. и Норитакой Т., и было обнаружено, что изомераза ксилозы термически стабильна примерно до 60 градусов Цельсия [12]

Активный сайт и механизм [ править ]

Ксилозоизомераза имеет структуру, основанную на восьми альфа / бета-цилиндрах, которые создают активный центр, содержащий два двухвалентных иона магния. Ферменты ксилозоизомеразы демонстрируют бочкообразную складку ТИМ с активным центром в центре цилиндра и тетрамерную четвертичную структуру . [13] Структуры PDB доступны по ссылкам в информационном окне справа. Белок представляет собой тетрамергде парные цилиндры почти соосны, которые образуют две полости, в которых оба двухвалентных металла связаны с одной из двух полостей. Металлы имеют октаэдрическую геометрию. Металлический участок 1 плотно связывает субстрат, в то время как второй участок металла связывает субстрат слабо. Оба имеют общий кислотный остаток глутаминовой кислоты 216 фермента, который связывает два катиона. Две основные аминокислоты окружают отрицательно заряженные лиганды, чтобы нейтрализовать их. Вторая полость обращена к металлической полости, и обе полости имеют один и тот же путь доступа. Вторая полость является гидрофобной по своей природе и имеет важный остаток гистидина, который активируется остатком аспартата, который связан с ней водородом . Этот остаток гистидина важен для изомеризации.глюкозы. [14]

При изомеризации глюкозы гистидин 53 используется, чтобы катализировать перенос протона от O1 к O5; Схема механизма открывания кольца показана ниже. Первый металл, упомянутый ранее, координируется с O3 и O4 и используется для стыковки подложки. [14]

При изомеризации ксилозы кристаллические данные показали, что сахар ксилозы связывается с ферментом в конформации открытой цепи . Металл 1 связывается с O2 и O4, и однажды связанный металл 2 связывается с O1 и O2 в переходном состоянии, и эти взаимодействия вместе с остатком лизина помогают катализировать гидридный сдвиг, необходимый для изомеризации. Переходное состояние состоит из иона карбония высокой энергии, который стабилизируется посредством всех взаимодействий металла с сахарной подложкой. [14]

Применение в промышленности [ править ]

Наиболее широко этот фермент применяется для превращения глюкозы во фруктозу для производства кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы (HFCS). [7] : 27 Есть три основных этапа производства HFCS из крахмала: [8] : 808–813

  • ферментативное расщепление крахмала с помощью α- амилазы . Также известен как сжижение.
  • дальнейшая деградация с использованием глюкоамилазы и фермента разветвления.
  • Производство фруктозы с помощью ксилозоизомеразы

Процесс проводят в биореакторах при температуре 60–65 ° C. [7] : 27 Ферменты инактивируются при таких высоких температурах, и одним из направлений исследований была разработка более термостабильных версий ксилозоизомеразы и других ферментов в процессе. [7] : 27 Ферменты обычно иммобилизуют для увеличения производительности; Еще одним направлением исследований было улучшение способов сделать это. [7] : 358–360 [15]

Ксилозоизомераза - это один из ферментов, используемых бактериями в природе для использования целлюлозы в пищу, и еще одним направлением промышленных и академических исследований является разработка версий ксилозоизомеразы, которые могут быть полезны в производстве биотоплива . [7] : 358 [16]

В качестве пищевой добавки [ править ]

Продукты, содержащие ксилозо-изомеразу, продаются как безрецептурные диетические добавки для борьбы с мальабсорбцией фруктозы , прежде всего в Европе, и под торговыми марками, включая Fructaid , Fructease и Fructosin . Помимо общих опасений по поводу эффективности безрецептурных ферментов [17], в настоящее время существует очень ограниченное количество исследований, касающихся ксилозо-изомеразы в качестве пищевой добавки, с единственным научным исследованием, показывающим положительное влияние на тошноту и боль в животе, связанную с мальабсорбцией, но нет при вздутии живота. [18]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Кац, AK; Li, X .; Carrell, HL; Hanson, BL; Langan, P .; Coates, L .; Schoenborn, BP; Glusker, JP; Буник, GJ (2006). «Расположение атомов водорода активного центра в D-ксилозоизомеразе: времяпролетная нейтронная дифракция» . Труды Национальной академии наук . 103 (22): 8342–8347. Bibcode : 2006PNAS..103.8342K . DOI : 10.1073 / pnas.0602598103 . PMC  1482496 . PMID  16707576 .
  2. ^ Му, Ванмэн; Hassanin, Hinawi AM; Чжоу, Леон; Цзян, Бо (2018). «Химия редких сахаров и биопереработка». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 66 (51): 13343–13345. DOI : 10.1021 / acs.jafc.8b06293 . PMID 30543101 . 
  3. ^ Mitsuhashi, S .; Лампен, Дж. (1953). «Превращение D-ксилозы в D-ксилулозу в экстрактах Lactobacillus pentosus» (PDF) . Журнал биологической химии . 204 (2): 1011–8. PMID 13117877 .  
  4. ^ Шомбург, Дитмар (2001). Справочник по ферментам . Нью-Йорк: Спрингер. С. 259–260. ISBN 9783540410089.
  5. ^ Маршалл, Ричард; Куи, Эрл (1957). «Ферментативное превращение D-глюкозы в D-фруктозу». Наука . 125 (3249): 648–9. Bibcode : 1957Sci ... 125..648M . DOI : 10.1126 / science.125.3249.648 . PMID 13421660 . 
  6. ^ a b c Джокела, Джоуни; Пастинен, Осси (2002). «Изомеризация пентозных и гексозных сахаров в ферментном реакторе, заполненном сшитыми кристаллами ксилозоизомеразы». Ферментные и микробные технологии . 31 (1–2): 67–76. DOI : 10.1016 / s0141-0229 (02) 00074-1 .
  7. ^ Б с д е е г Вонг, Доминик WS (1995). Структура и механизм пищевых ферментов . Бостон, Массачусетс: Springer США. ISBN 978-1-4757-2349-6.
  8. ^ a b Хоббс, Ларри (2009). «21 - Подсластители из крахмала: производство, свойства и применение». В BeMiller, James N .; Уистлер, Рой Л. (ред.). Крахмал: химия и технология (3-е изд.). Лондон: Academic Press / Elsevier. стр.  797 -832. ISBN 978-0-12-746275-2.
  9. ^ Beerens, К. (2012). «Ферменты для биокаталитического производства редких сахаров». J. Ind. Microbiol. Biotechnol . 39 (6): 823–834. DOI : 10.1007 / s10295-012-1089-х . PMID 22350065 . S2CID 14877957 .  
  10. ^ Китахара, К. (1966). «Исследования молочнокислых бактерий». Нюсанкин Но Кенкю : 67 ~ 69.
  11. ^ Бьюкенен, RE; Гиббонс, NE (1974). Руководство Берджи по определению бактериологии (8-е изд.). Балтимор: Уильямс и Уилкинс Ко. Стр. 584.
  12. ^ a b c Яманака, Кей; Такахара, Норитака (1977). «Очистка и свойства D-ксилозоизомеразы из Lactobacillus xylosus» . Agric. Биол. Chem . 41 (10): 1909–1915. DOI : 10.1271 / bbb1961.41.1909 .
  13. ^ Устаревшие услуги <EMBL-EBI
  14. ^ a b c Удар, Дэвид; Коллиер, Чарльз; Голдберг, Джонатан; Смарт, Оливер (1992). «Структура и механизм D-ксилозоизомеразы». Фарадеевские дискуссии . 93 (93): 67–73. Bibcode : 1992FaDi ... 93 ... 67В . DOI : 10.1039 / fd9929300067 . PMID 1290940 . 
  15. ^ Волкин, Д; Клибанов А. (1988). «Механизм термоинактивации иммобилизованной глюкозоизомеразы». Biotechnol Bioeng . 33 (9): 1104–1111. DOI : 10.1002 / bit.260330905 . PMID 18588027 . S2CID 39076432 .  
  16. ^ Марис, Ван; Антониус; и другие. (2007). «Развитие эффективной ферментации ксилозы в Saccharomyces Cerevisiae: ксилозоизомераза как ключевой компонент» . Adv. Биохим. Engin / Biotechnol . Достижения в области биохимической инженерии / биотехнологии. 108 : 179–204. DOI : 10.1007 / 10_2007_057 . ISBN 978-3-540-73650-9. PMID  17846724 .
  17. ^ Varayil, Jithinraj Edakkanambeth; Bauer, Brent A .; Больно, Райан Т. (2014). «Ферментные добавки, отпускаемые без рецепта: что необходимо знать врачу» . Краткий обзор для клиницистов . 89 (9): 1307. DOI : 10.1111 / apt.12057 . PMID 23002720 . S2CID 6047336 .  
  18. ^ Komericki, P .; Аккилыч-Матерна, М .; Стримитцер, Т .; Weyermair, K .; Молоток, ВЧ; Аберер, В. (2012). «Пероральная ксилозоизомераза снижает выведение водорода из дыхания и улучшает желудочно-кишечные симптомы при мальабсорбции фруктозы - двойное слепое плацебо-контролируемое исследование» . Пищевая фармакология и терапия . 36 (10): 980. DOI : 10.1111 / apt.12057 . PMID 23002720 . S2CID 6047336 .  

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Хохстер Р. М., Уотсон Р. В. (1954). «Ферментативная изомеризация D-ксилозы в D-ксилулозу». Arch. Биохим. Биофиз . 48 (1): 120–9. DOI : 10.1016 / 0003-9861 (54) 90313-6 . PMID  13125579 .
  • Slein MW (1955). «Ксилозоизомераза из Pasteurella pestis, штамм А-1122». Варенье. Chem. Soc . 77 (6): 1663–1667. DOI : 10.1021 / ja01611a074 .
  • Яманака К. (1968). «Очистка, кристаллизация и свойства изомеразы D-ксилозы из Lactobacillus brevis». Биохим. Биофиз. Acta . 151 (3): 670–80. DOI : 10.1016 / 0005-2744 (68) 90015-6 . PMID  5646045 .