異性体は多くの種類に存在し、一般的に構造異性体と立体異性体に分けることができます。構造異性体は、互いに異なる配列および/または異なる結合の接続性を持っています。同じ結合の順序と同じ接続タイプを持つ立体異性体は、結合した原子の三次元配置が異なります。異性体のサブカテゴリーにおける分子内ライアーゼ、酸化還元酵素および転移酵素は、構造異性体の相互変換を触媒しますが、ラセマーゼ、エピマーゼおよびシス-トランス異性体は立体異性体の相互変換を促進します。自然界における異性体の普及は、部分的には異性化エネルギー、すなわち異性体間の内部エネルギーの違いに依存しています。エネルギーレベルが類似している異性体は容易に相互変換でき、通常は比較可能な比率で検出されます。異性化酵素は異性化エネルギーを低下させ、反応速度を増加させることができます。

分類

異性化酵素はEC番号EC 5に割り当てられ、さらに6つのサブクラスに分類されています。

a. ラセマーゼ、エピマーゼ

EC 5.1の異性化酵素には、ラセマーゼとエピマーゼが含まれ、どちらもターゲットのキラル炭素で立体化学を反転させます。ラセマーゼは主に立体化学的反転のために1つのキラル炭素を持つ分子に作用し、エピマーゼは複数のキラル炭素を持つ分子に対してそのうちの1つに作用します。複数のキラル炭素のうちの1つでの異性化はエピマーを生成し、これらは1つのキラル炭素における絶対配置が異なります。このクラスは、酵素が作用するグループに応じてさらに分けられます。

b. シス-トランス 異性化酵素

EC 5.2の異性化酵素は、シス-トランス 異性体の異性化を触媒する酵素であり、絶対配置によって区別されるのではなく、二重結合や環状構造に対する置換基の位置によって区別されます。同じ側に置換基がある分子はシス 異性体に属し、トランス 異性体は反対側にグループがあります。このカテゴリには以下のエントリが含まれます。

c. 分子内酸化還元酵素

分子内酸化還元酵素はEC 5.3に分類され、分子の一部から別の部分への電子の移動を触媒します。これは、分子の一部の酸化と別の部分の還元が同時にこのタイプの酵素によって触媒されることを意味します。このクラスのサブカテゴリーは以下に示されています。

d. 分子内転移酵素

分子内転移酵素（ミュータース）はEC 5.4に分類され、分子の一部から別の部分への官能基の移動を加速します。酵素が移動させる官能基に応じて、さらに5つのグループに分類できます。

e. 分子内ライアーゼ

EC 5.5の異性化酵素は、分子の一部からグループが除去され、二重結合が残る反応を触媒する分子内ライアーゼです。このタイプの反応のいくつかは環状構造の破壊を伴います。このカテゴリはさらに分けることができず、現在すべてのエントリは以下の表に示されています。

異性化酵素のメカニズム

異なるタイプの異性化酵素は異なる作用モードを持ち、主にタウトマーを介した環の拡張と収縮、エピマー化、分子内転移、および分子内酸化還元を含みます。 

a. タウトマーを介した環の拡張と収縮

グルコース（6員環のアルデヒド）のフルクトース（5員環のケトン）への異性化は、分子内酸化還元酵素であるグルコース-6-リン酸異性化酵素によって触媒される環の開口と収縮の古典的な例です。これは、酸/塩基触媒を介してアルドースを形成するための環の開口とシス-エンジオール中間体の形成を含みます。その後、プロトン化された直鎖ケトースが形成され、再び環が閉じられます。

b. エピマー化

カルビン回路におけるD-リブロース-5-リン酸からD-キシルロース-5-リン酸への変換は、リブロース-リン酸3-エピマーゼによるエピマー化に属し、基質と生成物は鎖の3番目の炭素における立体化学のみが異なります。その炭素の脱プロトン化によって反応性エノラート中間体が形成されることが、根本的なメカニズムである可能性が高く、これは平面中間体を示し、後に反対側からのプロトン化によって逆のキラリティを得ます。これらの脱プロトン化-安定化-プロトン化ステップの連携が、3番目の炭素における立体化学を反転させます。

c. 分子内転移

分子内転移酵素としてのコリスマートミュータースは、コリスマートからプレフェネートへの変換を触媒し、これは一部の植物や細菌においてL-チロシンおよびL-フェニルアラニンの前駆体として使用されます。この反応は、異性化酵素の有無にかかわらず進行することができ、基質がトランス-ダイアキシアル位置にある椅子型遷移状態を通過します。異性化酵素が選択的に椅子型遷移状態に結合し、この結合が静電効果を通じて遷移状態を安定化する可能性が示されています。これが、ミュータースまたは活性部位に特定の位置に配置されたカチオンの追加による反応速度の急激な増加の理由です。

d. 分子内酸化還元

イソペンテニル二リン酸デルタ異性化酵素タイプI（IPP異性化酵素）は、イソペンテニル二リン酸（IPP）をジメチルアリル二リン酸（DMAPP）に変換する過程に関与し、単一のプロトンの立体選択的アンタラファシアル転位を介して行われます。この過程では、安定した炭素-炭素二重結合が再配置され、高度に求電子的なアリル異性体が残ります。C4の二重結合のプロトン化を介してC3で三級カルボカチオン中間体が形成されます。その後、隣接する炭素C2が反対側から脱プロトン化され、二重結合が得られます。実際、二重結合は移動します。

応用

これまでのところ、異性化酵素の砂糖製造における応用が最も一般的です。グルコース異性化酵素はD-グルコースをD-フルクトースに変換する反応を触媒し、これは高フルクトースコーンシロップの生産において重要な部分であり、最小限の副産物で高いフルクトース収率をもたらします。これにより、フルクトース生産のための古い化学的方法よりも特異的なプロセスが可能になります。グルコース異性化酵素の利用に関する主要な懸念は、高温での不活性化と反応中の高pHの必要性によって引き起こされます。この酵素の最適な活性は、製造業者に追加コストをかける二価カチオン（Co²⁺ またはMg²⁺）の存在によってのみ達成できます。また、酵素のグルコースに対するキシロースへの親和性がはるかに高いため、慎重に制御された環境が必要です。

グルコース異性化酵素によるキシロースからキシルロースへの効率的な異性化は、腐敗した植物物質を食べる細菌に自然に見られます。キシルロースの発酵によって得られるエタノールの生産を通じて商業的価値が示されています。グルコース異性化酵素は、D-リボース、D-アロース、L-アラビノースを含む他のさまざまな糖の異性化を加速することもできます。グルコース異性化酵素の現在のメカニズムモデルは、同位体交換およびX線結晶構造解析研究によって明らかにされた水素移動です。全体として、遺伝子工学における広範な研究は、工業プロセスからのグルコース異性化酵素の最適化と回収に焦点を当てています。

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