Ксилозоизомераза
| ксилозоизомераза | |||
|---|---|---|---|
 Тетрамер D-ксилозоизомеразы из Streptomyces Rubiginosus PDB 2glk . [1] Один мономер окрашен вторичной структурой, чтобы подчеркнуть бочкообразную архитектуру TIM. | |||
| Идентификаторы | |||
| Номер ЕС. | 5.3.1.5 | ||
| Номер CAS. | 9023-82-9 | ||
| Базы данных | |||
| ИнтЭнк | вид IntEnz | ||
| БРЕНДА | БРЕНДА запись | ||
| Экспаси | Просмотр NiceZyme | ||
| КЕГГ | КЕГГ запись | ||
| МетаЦик | метаболический путь | ||
| ПРЯМОЙ | профиль | ||
| PDB Структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||
| Генная онтология | АмиГО / QuickGO | ||
| |||
В энзимологии ксилозоизомераза КФ ( фермент 5.3.1.5 ) представляет собой , взаимное катализирующий превращение D-ксилоза и D-ксилулоза . Этот фермент принадлежит к семейству изомераз , в частности к внутримолекулярным оксидоредуктазам, взаимно превращающим альдозы и кетозы . Изомераза в настоящее время обнаружена почти у ста видов бактерий. [2] Ксилозо -изомеразы также часто называют фруктозоизомеразами из-за их способности взаимно превращать глюкозу и фруктозу. Систематическое название этого класса ферментов — D-ксилозоальдозокетозизомераза. Другие широко используемые названия включают D-ксилозоизомеразу, D-ксилозокетоизомеразу и D-ксилозокетолизомеразу. [3]
История
[ редактировать ]Активность D- ксилозоизомеразы впервые наблюдали Мицухаши и Лампен в 1953 году у бактерии Lactobacillus pentosus . [4] Искусственное производство с помощью трансформированной E.coli также оказалось успешным. [5] В 1957 году Куи и Маршалл отметили активность D-ксилозоизомеразы в превращении D-глюкозы в D-фруктозу. [6] Сейчас известно, что изомеразы обладают широкой субстратной специфичностью. Большинство пентоз и некоторые гексозы являются субстратами D-ксилозоизомеразы. Некоторые примеры включают: D-рибозу, L-арабинозу, L-рамнозу и D-аллозу. [7]
Преобразование 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, а утилизация фермента была проблематичной. [7] Неподвижная ксилозоизомераза, зафиксированная на твердой поверхности, была впервые разработана в Японии Таканаши. [7] Эти разработки сыграли важную роль в разработке промышленных процессов ферментации , используемых при производстве кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы . [8] : 27 [9] : 808–813 [10]
Третичная структура была определена для нескольких ксилозоизомераз 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 thermosulfurogen ). в 1990 году). [8] : 366
Функция
[ редактировать ]Этот фермент участвует во взаимопревращениях пентозы и глюкуроната , а также фруктозы и маннозы метаболизме . 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 небольшое распространение. [11]
Характеристика
[ редактировать ]Ксилозоизомеразу можно выделить из красного китайского рисового вина, которое содержит бактерию Lactobacillus xylosus . [12] Эту бактерию ошибочно отнесли к L. plantarum , которая обычно растет на сахаре L-арабинозе и редко растет на D-ксилозе. Было признано, что L. xylosus отличается способностью расти на D-ксилозе. [13] Ксилозоизомераза L. xylosus имеет молекулярную массу около 183 000 дальтон. [14] Оптимальный pH роста для L. Lactis составляет около 7,5 , однако такие штаммы, как фермент ксилозы L.brevis, предпочитают более щелочную среду. Штамм L. Lactis стабилен в диапазоне рН от 6,5 до 11,0, а фермент L. brevis , менее толерантный к изменению рН, проявляет активность в диапазоне рН 5,7–7,0. [14] Кей Ю. и Норитака Т. также провели термические испытания, и было обнаружено, что ксилозоизомераза термически стабильна примерно до 60 градусов Цельсия. [14]
Активный сайт и механизм
[ редактировать ]Ксилозоизомераза имеет структуру, основанную на восьми альфа-/бета-цилиндрах, которые создают активный центр, содержащий два двухвалентных иона магния. Ферменты ксилозоизомеразы имеют бочкообразную складку TIM с активным центром в центре цилиндра и тетрамерную четвертичную структуру . [15] Структуры PDB доступны по ссылкам в информационном окне справа. Белок представляет собой тетрамер, в котором парные стволы почти коаксиальны и образуют две полости, в которых оба двухвалентных металла связаны с одной из двух полостей. Металлы имеют октаэдрическую геометрию. Металлический участок 1 прочно связывает подложку, а металлический участок 2 — слабо. Оба имеют общий кислотный остаток, глутаминовую кислоту 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 гидрофобна и содержит остаток гистидина, активированный остатком аспартата , связанным с ним водородной связью . Этот остаток гистидина важен для изомеризации глюкозы. [16]
При изомеризации глюкозы гистидин 53 используется для катализа переноса протона O1 на O5; Схема механизма раскрытия кольца показана ниже. Первый металл, упомянутый ранее, координируется с O3 и O4 и используется для стыковки подложки. [16]
Кристаллические данные показывают, что при изомеризации ксилозы ксилоза связывается с ферментом по открытой цепи. Металл 1 связывается с O2 и O4, а после связывания металл 2 связывается с O1 и O2 в переходном состоянии. Эти взаимодействия вместе с остатком лизина помогают катализировать гидридный сдвиг, необходимый для изомеризации. [17] [16] Переходное состояние состоит из высокоэнергетического иона карбония , который стабилизируется за счет всех взаимодействий металла с сахарным субстратом. [16]
Применение в промышленности
[ редактировать ]Наиболее широко используемое применение этого фермента — преобразование глюкозы во фруктозу для производства кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы (HFCS). [8] : 27 Существует три основных этапа производства HFCS из крахмала: [9] : 808–813
- ферментативное расщепление крахмала с помощью α- амилазы . Также известен как сжижение.
- дальнейшая деградация с использованием глюкоамилазы и разветвляющего фермента.
- Производство фруктозы с помощью ксилозоизомеразы
Процесс проводят в биореакторах при температуре 60–65 °С. [8] : 27 Ферменты денатурируют при таких температурах, и одним из направлений исследований была разработка более термостабильных версий ксилозоизомеразы и других ферментов в этом процессе. [8] : 27 [18] Ферменты обычно иммобилизуют для увеличения производительности, и поиск лучших способов сделать это был еще одним направлением исследований. [8] : 358–360 [19]
Ксилозоизомераза — один из ферментов, используемых бактериями в природе для использования гемицеллюлозы в качестве источника энергии. Еще одним направлением промышленных и академических исследований является разработка версий ксилозоизомеразы, которые могут быть полезны в производстве биотоплива . [8] : 358 [20] [21]
В качестве пищевой добавки
[ редактировать ]
Способность ксилозоизомеразы преобразовывать глюкозу во фруктозу привела к ее предложению в качестве средства лечения мальабсорбции фруктозы. [22] [23] Этот фермент используется в промышленных условиях и, как было показано, не вызывает аллергической реакции у людей. [22]
продаются в виде безрецептурных Продукты, содержащие ксилозоизомеразу , пищевых добавок для борьбы с мальабсорбцией фруктозы под такими торговыми марками, как Fructaid , Fructease , Fructase , Fructose Digest и Fructosin . Помимо общих опасений по поводу эффективности безрецептурных ферментов, [24] в настоящее время имеется очень ограниченное количество исследований по ксилозо-изомеразе в качестве пищевой добавки. [25] [22] с единственным научным исследованием [26] что указывает на положительное влияние на тошноту и боли в животе, связанные с мальабсорбцией, но не на вздутие живота. [23] [25] [22] Это снижение выделения водорода с дыханием, продемонстрированное в этом исследовании, является потенциальным признаком того, что фруктоза усваивается намного лучше. [22] Однако результаты этого исследования не были подтверждены другими исследованиями, и это исследование не оценивало долгосрочные последствия для здоровья и не пыталось определить, какие пациенты лучше всего подходят для лечения ксилозоизомеразой, если вообще подходят. [22] [23]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кац А.К., Ли X, Каррелл Х.Л., Хансон Б.Л., Ланган П., Коутс Л. и др. (май 2006 г.). «Расположение атомов водорода в активном центре D-ксилозоизомеразы: времяпролетная нейтронная дифракция» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (22): 8342–8347. Бибкод : 2006PNAS..103.8342K . дои : 10.1073/pnas.0602598103 . ПМЦ 1482496 . ПМИД 16707576 .
- ^ Сяо Х., Гу Ю., Нин Ю., Ян Ю., Митчелл В.Дж., Цзян В. и др. (ноябрь 2011 г.). «Подтверждение и устранение узких мест метаболизма ксилозы у Clostridium acetobutylicum с дефицитом глюкозо-фосфоенолпируват-зависимой фосфотрансферазной системы для одновременного использования глюкозы, ксилозы и арабинозы» . Прикладная и экологическая микробиология . 77 (22): 7886–7895. Бибкод : 2011ApEnM..77.7886X . дои : 10.1128/АЕМ.00644-11 . ПМК 3208996 . ПМИД 21926197 .
- ^ Му В., Хасанин Х.А., Чжоу Л., Цзян Б. (декабрь 2018 г.). «Химия редких сахаров и биопереработка». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 66 (51): 13343–13345. doi : 10.1021/acs.jafc.8b06293 . ПМИД 30543101 . S2CID 56145019 .
- ^ Мицухаси С., Лампен Д.О. (октябрь 1953 г.). «Превращение D-ксилозы в D-ксилулозу в экстрактах Lactobacillus pentosus» (PDF) . Журнал биологической химии . 204 (2): 1011–1018. дои : 10.1016/S0021-9258(18)66103-4 . ПМИД 13117877 . Архивировано (PDF) из оригинала 2 января 2020 г. Проверено 16 января 2017 г.
- ^ Шомбург Д., Шомбург I (2001). «Ксилозоизомераза» . Справочник по ферментам . Том. Класс 5: Изомеразы. Нью-Йорк: Спрингер. стр. 259–260. ISBN 978-3-540-41008-9 . Архивировано из оригинала 26 июля 2020 г. Проверено 19 июля 2020 г.
- ^ Маршалл Р.О., Коой Э.Р. (апрель 1957 г.). «Ферментативное превращение D-глюкозы в D-фруктозу». Наука . 125 (3249): 648–649. Бибкод : 1957Sci...125..648M . дои : 10.1126/science.125.3249.648 . ПМИД 13421660 .
- ^ Jump up to: а б с Йокела Дж., Пастинен О., Лейсола М. (2002). «Изомеризация пентозных и гексозных сахаров с помощью ферментного реактора, наполненного сшитыми кристаллами ксилозоизомеразы». Ферментные и микробные технологии . 31 (1–2): 67–76. дои : 10.1016/s0141-0229(02)00074-1 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Вонг Д.В. (1995). Структура и механизм пищевых ферментов . Бостон, Массачусетс: Springer US. ISBN 978-1-4757-2349-6 .
- ^ Jump up to: а б Хоббс Л. (2009). «21 - Подсластители из крахмала: производство, свойства и применение». В BeMiller JN, Whistler RL (ред.). Крахмал: химия и технология (3-е изд.). Лондон: Академик Пресс/Эльзевир. стр. 797–832 . ISBN 978-0-12-746275-2 .
- ^ «Кукурузный сироп и его кулинарное применение: безопасно ли его употреблять?» . Таймс оф Индия . ISSN 0971-8257 . Архивировано из оригинала 16 февраля 2024 г. Проверено 16 февраля 2024 г.
- ^ Биренс К., Десмет Т., Соэтарт В. (июнь 2012 г.). «Ферменты для биокаталитического производства редких сахаров» . Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии . 39 (6): 823–834. дои : 10.1007/s10295-012-1089-x . ПМИД 22350065 . S2CID 14877957 .
- ^ Китахара К (1966). «Исследования молочнокислых бактерий». Нюсанкин Но Кенкю : 67~69.
- ^ Бьюкенен Р.Э., Гиббонс Н.Е. (1974). Руководство Берджи по определению бактериологии (8-е изд.). Балтимор: The Williams and Wilkins Co. p. 584.
- ^ Jump up to: а б с Яманака К., Такахара Н. (1977). «Очистка и свойства D-ксилозоизомеразы Lactobacillus xylosus» . Сельское хозяйство. Биол. Хим . 41 (10): 1909–1915. дои : 10.1271/bbb1961.41.1909 .
- ^ «Устаревшие службы <EMBL-EBI» . Архивировано из оригинала 1 апреля 2024 г. Проверено 6 февраля 2015 г.
- ^ Jump up to: а б с д Блоу Д.М., Коллайер Калифорния, Голдберг Дж.Д., Smart OS (1992). «Структура и механизм D-ксилозоизомеразы». Фарадеевские дискуссии . 93 (93): 67–73. Бибкод : 1992ФаДи...93...67Б . дои : 10.1039/fd9929300067 . ПМИД 1290940 .
- ^ Нам К.Х. (2022). «Глюкозоизомераза: функции, структура и применение» . Прикладные науки . 12 : 428. дои : 10.3390/app12010428 .
В эту статью включен текст из этого источника, доступного по лицензии CC BY 4.0 . - ^ Цю Ю, Ву М, Бао Х, Лю В, Шэнь Ю (сентябрь 2023 г.). «Инженерия Saccharomyces cerevisiae для совместной ферментации глюкозы и ксилозы: современное состояние и перспективы» . Инженерная микробиология . 3 (3): 100084. doi : 10.1016/j.engmic.2023.100084 . ISSN 2667-3703 .
- ^ Волкин Д.Б., Клибанов А.М. (апрель 1989 г.). «Механизм термоинактивации иммобилизованной глюкозоизомеразы». Биотехнология и биоинженерия . 33 (9): 1104–1111. дои : 10.1002/бит.260330905 . ПМИД 18588027 . S2CID 39076432 .
- ^ ван Марис А.Дж., Винклер А.А., Кайпер М., де Лаат В.Т., ван Дейкен Дж.П., Пронк Дж.Т. (2007). «Развитие эффективной ферментации ксилозы в Saccharomyces cerevisiae: ксилозоизомераза как ключевой компонент» . Достижения в области биохимической инженерии/биотехнологии . 108 : 179–204. дои : 10.1007/10_2007_057 . ISBN 978-3-540-73650-9 . ПМИД 17846724 . Архивировано из оригинала 31 декабря 2023 г. Проверено 31 декабря 2023 г.
- ^ Сильва П.С., Сеха-Наварро Х.А., Азеведо Ф., Караоз У., Броди Э.Л., Йоханссон Б. (февраль 2021 г.). «Новая D-ксилозоизомераза из кишечника древесного жука Odontotaenius disjunctus эффективно экспрессируется в Saccharomyces cerevisiae» . Научные отчеты . 11 (1): 4766. Бибкод : 2021NatSR..11.4766S . дои : 10.1038/s41598-021-83937-z . hdl : 1822/72966 . ПМЦ 7910561 . ПМИД 33637780 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Бенарду М., Ле Гресли А., ЭльШаер А., Рен С.П. (февраль 2022 г.). «Мальабсорбция фруктозы: причины, диагностика и лечение» . Британский журнал питания . 127 (4): 481–489. дои : 10.1017/S0007114521001215 . ПМИД 33818329 . В эту статью включен текст из этого источника, доступного по лицензии CC BY 4.0 .
- ^ Jump up to: а б с Фернандес-Баньарес Ф (май 2022 г.). «Нарушение переваривания и непереносимость углеводов» . Питательные вещества . 14 (9): 1923. doi : 10.3390/nu14091923 . ПМК 9099680 . PMID 35565890 . В эту статью включен текст из этого источника, доступного по лицензии CC BY 4.0 .
- ^ Комерики П., Аккилич-Матерна М., Стримицер Т., Вейермайр К., Хаммер Х.Ф., Аберер В. (ноябрь 2012 г.). «Оральная ксилозоизомераза снижает выделение водорода с дыханием и улучшает желудочно-кишечные симптомы при мальабсорбции фруктозы — двойное слепое плацебо-контролируемое исследование» . Алиментарная фармакология и терапия . 36 (10): 980–987. дои : 10.1111/кв.12057 . ПМИД 23002720 . S2CID 6047336 .
- ^ Jump up to: а б Сингх Р.С., Сингх Т., Панди А. (2019). «Микробные ферменты — обзор». Достижения в области ферментных технологий . стр. 1–40. дои : 10.1016/B978-0-444-64114-4.00001-7 . ISBN 978-0-444-64114-4 .
- ^ Комерики П., Аккилич-Матерна М., Стримицер Т., Вейермайр К., Хаммер Х.Ф., Аберер В. (ноябрь 2012 г.). «Оральная ксилозоизомераза снижает выделение водорода с дыханием и улучшает желудочно-кишечные симптомы при мальабсорбции фруктозы — двойное слепое плацебо-контролируемое исследование» . Алиментарная фармакология и терапия . 36 (10): 980–987. дои : 10.1111/кв.12057 . ПМИД 23002720 . S2CID 6047336 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Хохстер Р.М., Уотсон Р.В. (январь 1954 г.). «Ферментативная изомеризация D-ксилозы в D-ксилулозу». Архив биохимии и биофизики . 48 (1): 120–129. дои : 10.1016/0003-9861(54)90313-6 . ПМИД 13125579 .
- Слейн М.В. (1955). «Ксилозоизомераза Pasteurella pestis, штамм А-1122». Дж. Ам. хим. Соц . 77 (6): 1663–1667. дои : 10.1021/ja01611a074 .
- Яманака К. (март 1968 г.). «Очистка, кристаллизация и свойства D-ксилозоизомеразы Lactobacillus brevis». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Энзимология . 151 (3): 670–680. дои : 10.1016/0005-2744(68)90015-6 . ПМИД 5646045 .
